Les astronomes capturent la toute première image d’un trou noir

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Une chercheuse de McGill a participé à des observations du trou noir géant situé au centre de la galaxie éloignée Messier 87 qui entraîneront des changements de paradigme.
Publié: 10avr2019

Le « Event Horizon Telescope » (EHT) – un réseau constitué de huit radiotélescopes répartis sur la surface de la planète créé dans le cadre d’une collaboration internationale – a été conçu pour capturer les images d’un trou noir. Les chercheurs de l’EHT révèlent aujourd’hui à l’occasion de conférences de presse coordonnées autour du globe, qu’ils sont parvenus à obtenir la toute première preuve visuelle d’un trou noir supermassif et de son ombre.

Cette découverte fait l’objet de la parution, ce jour, d’un ensemble de six articles au sein d’une édition spéciale de la revue The Astrophysical Journal Letters. L’image révèle l’existence du trou noir au centre de Messier 87 [1], une galaxie massive de l’amas galactique Virgo. Ce trou noir est distant de quelque 55 millions d’années-lumière de la Terre et est doté d’une masse équivalant à 6,5 milliards de masses solaires [2].

L’EHT relie des télescopes du monde entier afin de constituer un télescope virtuel de la taille de la Terre [3]. L’EHT offre aux scientifiques une nouvelle façon d’étudier les objets les plus extrêmes de l’Univers dont la théorie de la relativité générale d’Einstein a prédit l’existence, au cours de l’année célébrant le centenaire de l’expérience historique ayant apporté la toute première confirmation de la validité de la théorie [4].

« Nous avons capturé la toute première photo d’un trou noir !, s’enthousiasme Sheperd S. Doeleman du Centre d’Astrophysique Harvard & Smithson, par ailleurs directeur du projet EHT. D’un point de vue scientifique, il s’agit d’un formidable exploit réalisé par une équipe composée de plus de 200 chercheurs. »

Les trous noirs sont de fabuleux objets cosmiques caractérisés par des masses extraordinairement élevées et des dimensions incroyablement compactes. La présence de ces objets affecte leur environnement de manière extrême, déformant l’espace-temps et surchauffant toute matière située à proximité.

« Lorsqu’un trou noir baigne dans la lumière d’un disque de gaz lumineux par exemple, nous nous attendons à ce qu’il crée une région sombre, semblable à une ombre – une conséquence prédite par la théorie de la relativité d’Einstein mais demeurée inobservée à ce jour, précise Heino Falcke de l’Université Radboud aux Pays-Bas, président du Conseil Scientifique de l’EHT. Cette ombre, causée par la courbure gravitationnelle et la capture de la lumière par l’horizon des événements, en dit long sur la nature de ces objets fascinants et nous a permis de déterminer l’énorme masse du trou noir de M87. »

Diverses méthodes de calibration et d’imagerie ont mis en évidence une structure en forme d’anneau encerclant une région centrale sombre – l’ombre du trou noir. Cette vision persista sur plusieurs observations indépendantes menées au moyen de l’EHT.

« Lorsque nous avons été certains d’avoir capturé l’ombre, nous avons été en mesure de comparer le résultat obtenu avec de nombreux modèles numériques incluant la physique des espaces déformés, la matière surchauffée et de fort champ magnétiques », remarque, Paul T.P. Ho et directeur de l’Observatoire de l’Asie de l’Est, membre du Conseil de l’EHT. « L’image obtenue concorde parfaitement avec notre compréhension théorique, ce qui renforce la validité de l’interprétation de nos observations, y compris notre estimation de la masse du trou noir », ajoute le membre du Conseil de l’EHT Luciano Rezzolla de l’Université Goethe en Allemagne.

La création de l’EHT fut un formidable challenge, qui nécessita la mise à niveau ainsi que la connexion, au sein d’un réseau mondial, de huit télescopes opérant depuis divers sites d’altitudes élevées. Parmi ces sites figurent les volcans d’Hawaï et du Mexique, les montagnes de l’Arizona et de la Sierra Nevada espagnole, le Désert de l’Atacama au Chili, et l’Antarctique.

Les observations de l’EHT sont effectuées au moyen d’une technique baptisée interférométrie à très grande base (VLBI), qui synchronise les télescopes du monde entier et tire parti de la rotation de notre planète pour créer un vaste télescope de la taille de la Terre observant à la longueur d’onde de 1,3 mm. Le VLBI permet à l’EHT d’atteindre une résolution angulaire de 20 microsecondes d’arc – ce qui suffit pour lire un journal à New York depuis un café situé à Paris [5].

Les télescopes ayant contribué à ce résultat sont : ALMA, APEX, le télescope de 30 mètres de l’IRAM, le Télescope James Clerk Maxwell, le Vaste Télescope Millimétrique Alfonso Serrano, le Réseau Submillimetrique, le Télescope Submillimétrique, et le Télescope du Pôle Sud [6]. Les pétaoctets de données brutes acquises par les télescopes ont été combinés par des supercalculateurs dédiés de l’Institut Max Planck de Radioastronomie et de l’Observatoire Haystack du MIT.

La construction de l’EHT et les observations annoncées ce jour représentent l’aboutissement de décennies de travaux d’observation, techniques et théoriques. Cet exemple de travail d’équipe à l’échelle globale a requis la collaboration étroite de chercheurs du monde entier. Treize institutions partenaires ont concouru à l’édification de l’EHT sur la base de l’infrastructure préexistante et grâce au soutien de divers organismes. La National Science Foundation (NSF), le Conseil Européen de la Recherche (ERC) et des agences de l’Asie de l’est [8] ont joué un rôle clé, en matière de financement.

À titre de membre du groupe de travail sur l’observation multi-longueur d’onde au moyen du télescope EHT, la Pre Daryl Haggard, du Département de physique de l’Université McGill et de l’Institut spatial de McGill à Montréal, a contribué à deux des publications qui ont été rendues publiques aujourd’hui. « La déformation de l’espace-temps est si extrême aux abords de l’énorme trou noir M87 que la lumière captée par le télescope EHT nous montre en même temps l’espace qui se trouve devant et derrière le trou noir, explique la Pre Haggard. Les théoriciens ont déjà fait des prédictions sur l’aspect de ce phénomène – simulé dans le film Interstellaire, par exemple – mais c’est la première fois que nous le voyons dans la réalité. »

« Nous sommes parvenus à obtenir un résultat inimaginable voici 25 ans, conclut Sheperd S. Doelman. Les avancées technologiques, les connexions établies entre les meilleurs observatoires radio au monde, et des algorithmes novateurs, ont ouvert une toute nouvelle fenêtre sur les trous noirs et l’horizon des événements. »

Notes

[1] L’ombre d’un trou noir est l’image la plus voisine possible du trou noir que nous puissions acquérir, un trou noir étant par définition un objet totalement noir dont aucune lumière n’est en mesure de s’échapper. La limite du trou noir – l’horizon des événements dont l’EHT tire son appellation – est quelque 2,5 fois plus petite que l’ombre qu’il projette. Son diamètre avoisine les 40 milliards de kilomètres.

[2] Les trous noirs supermassifs sont des objets astronomiques de dimensions relativement faibles – ce qui explique que l’on n’ait pu les observer directement jusqu’à présent. La taille de l’horizon des événements d’un trou noir est proportionnelle à sa masse – ainsi, plus un trou noir est massif, plus son ombre est étendue. En raison de sa masse élevée et de sa relative proximité, le trou noir de M87 s’annonçait être l’un des mieux observables depuis la Terre – en d’autres termes, une cible parfaite pour l’EHT.

[3] Bien que les télescopes ne soient pas physiquement connectés, ils s’avèrent capables de synchroniser leurs données acquises grâce à des horloges atomiques – des masers à hydrogène. Ces dernières enregistrent l’instant précis de leurs observations, effectuées à la longueur d’onde de 1,3 mm au cours de la campagne mondiale de 2017. Chacun des télescopes de l’EHT a produit d’énormes volumes de données – quelque 350 téraoctets par jour, qui furent stockées sur des disques durs remplis d’hélium et dotés de performances élevées. Ces données ont été transmises à des supercalculateurs dédiés – baptisés corrélateurs – à l’Institut Max Planck de Radioastronomie et à l’Observatoire Haystack du MIT dans le but d’être combinées. Elles ont ensuite été soigneusement converties en image au moyen de nouveaux outils informatiques mis au point par la collaboration.

[4] Voici 100 ans, deux expéditions embarquèrent en direction de l’Ile Principe au large de l’Afrique et de Sobral au Brésil pour observer l’éclipse de Soleil de 1919. Leur objectif était de tester l’une des prévisions de la théorie de la relativité générale : la courbure de la lumière en provenance des étoiles autour du limbe du Soleil. Faisant écho à ces observations, l’EHT a envoyé des membres de l’équipe sur quelques-unes des installations radio les plus élevées et les plus reculées au monde afin de tester à nouveau notre compréhension de la gravitation.

[5] Les prochaines observations de l’EHT bénéficieront d’une sensibilité améliorée grâce aux contributions de l’Observatoire NOEMA de l’IRAM, du Télescope du Groenland et du Télescope de Kitt Peak.

[6] ALMA est le fruit d’un partenariat entre l’Observatoire Européen Austral (ESO; Europe, représentant ses états membres), la National Science Foundation (NSF) aux Etats-Unis, les National Institutes of Natural Sciences (NINS) au Japon, le National Research Council (Canada), le Ministère des Sciences et Technologies (MOST; Taiwan), l’Institut d’Astronomie et d’Astrophysique de l’Academia Sinica (ASIAA; Taiwan), l’Institut d’Astronomie et de Sciences Spatiales de Corée (KASI; République de Corée), en collaboration avec la République du Chili. APEX est exploité par l’ESO, le télescope de 30 mètres est exploité par l’IRAM (les organisations partenaires de l’IRAM sont le MPG (Allemagne), le CNRS (France) et l’IGN (Espagne)), le télescope James Clerk Maxwell est exploité par l’EAO, le Vaste Télescope Millimétrique Alfonso Serrano est exploité par l’INAOE et l’UMass, le Réseau submillimétrique est exploité par la SAO et ASIAA et le Télescope Submillimétrique est opéré par l’Observatoire Radio d’Arizona (ARO). Le Télescope du Pôle Sud est exploité par l’Université de Chicago, divers instruments de l’EHT sont fournis par l’Université d’Arizona.

Plus d'informations

Ce travail de recherche a fait l’objet de six articles parus ce jour au sein d’une édition spéciale de la revue The Astrophysical Journal Letters.

La collaboration EHT rassemble plus de 200 chercheurs originaires d’Afrique, d’Asie, d’Europe, d’Amérique du Nord et du Sud. La collaboration internationale vise à capturer les images les plus détaillées possibles d’un trou noir en créant un télescope virtuel de la taille de la Terre. Soutenu par de considérables investissements internationaux, l’EHT établit un lien entre des télescopes existants au moyen de nouveaux systèmes – s’ensuit la création d’un nouvel instrument fondamentalement différent doté du meilleur pouvoir de résolution angulaire qui soit à l’heure actuelle.

Les télescopes individuels impliqués sont : ALMA, APEX, le Télescope de 30 mètres de l’IRAM, l’Observatoire NOEMA de l’IRAM, le Télescope James Clerk Maxwell (JCMT), le Vaste Télescope Millimétrique (LMT), le Réseau Submillimétrique (SMA), le Télescope Submillimétrique (SMT), le Télescope du Pôle Sud (SPT), le Télescope de Kitt Peak, et le Télescope du Groenland (GLT).

Le consortium EHT est composé de 13 instituts : l’Institut d’Astronomie et d’Astrophysique de l’ Academia Sinica, l’Université d’Arizona, l’Université de Chicago, l’Observatoire de l’Asie de l’est, l’Université Goethe de Francfort, l’Institut de Radioastronomie Millimétrique, le Vaste Télescope Millimétrique, l’Institut Max Planck dédié à la Radioastronomie, l’Observatoire Haystack du MIT, l’Observatoire Astronomique National du Japon, l’Institut Perimeter de Physique Théorique, l’Université Radboud et l’Observatoire Astrophysique Smithson.

L'ESO est la première organisation intergouvernementale pour l'astronomie en Europe et l'observatoire astronomique le plus productif au monde. L'ESO est soutenu par 16 pays : l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, l’Irlande, l'Italie, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse. L'ESO conduit d'ambitieux programmes pour la conception, la construction et la gestion de puissants équipements pour l'astronomie au sol qui permettent aux astronomes de faire d'importantes découvertes scientifiques. L'ESO joue également un rôle de leader dans la promotion et l'organisation de la coopération dans le domaine de la recherche en astronomie. L'ESO gère trois sites d'observation uniques, de classe internationale, au Chili : La Silla, Paranal et Chajnantor. À Paranal, l'ESO exploite le VLT « Very Large Telescope », l'observatoire astronomique observant dans le visible le plus avancé au monde et deux télescopes dédiés aux grands sondages. VISTA fonctionne dans l'infrarouge. C'est le plus grand télescope pour les grands sondages. Et, le VLT Survey Telescope (VST) est le plus grand télescope conçu exclusivement pour sonder le ciel dans la lumière visible. L'ESO est le partenaire européen d'ALMA, un télescope astronomique révolutionnaire. ALMA est le plus grand projet astronomique en cours de réalisation. L'ESO est actuellement en train de programmer la réalisation d'un télescope géant (ELT pour Extremely Large Telescope) de la classe des 39 mètres qui observera dans le visible et le proche infrarouge. L'ELT sera « l'œil le plus grand au monde tourné vers le ciel ».

L’Institut spatial de l’Université McGill

L’Institut spatial de McGill est un centre interdisciplinaire qui regroupe des scientifiques participant à des recherches en astrophysique, en science des planètes, en sciences de l’atmosphère, en astrobiologie et dans d’autres domaines relatifs à l’espace à l’Université McGill.

Personnes-ressources

Daryl Haggard
Professeure adjointe de physique
Université McGill
daryl.haggard [at] mcgill.ca

Chris Chipello
Relations avec les médias
Université McGill
Tél. : 514 398-4201
christopher.chipello [at] mcgill.ca