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Des astronomes révèlent la première image « révolutionnaire » du trou noir de la Voie lactée

our la première fois, l’humanité a regardé dans le cœur sombre du chaos insondable au centre de la Voie lactée et a mis au point sa forme ténébreuse. L’objet qui nous regarde, Sagittarius A*, est un trou noir monstrueux qui relie notre galaxie natale.

Jeudi, des scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) ont révélé la première preuve visuelle directe du Sagittaire A*, ou Sgr A*, lors de conférences de presse mondiales coordonnées. Composée de plus de 300 chercheurs, la collaboration a fait la une des journaux il y a trois ans pour avoir dévoilé la première image d’un trou noir et tente d’imager Sgr A* depuis 2009.

Aujourd’hui, le monde témoigne des fruits de leur travail. Et c’est tout aussi révolutionnaire que prévu.

Cette lumière éblouissante, orangée tourbillonnante autour d’un cercle d’ombre, a parcouru plus de 26 000 ans pour nous parvenir. Il s’agit d’une luminescence née au bord de Sgr A * lorsque les calottes glaciaires du nord de la Terre atteignaient Manhattan, les ours des cavernes parcouraient encore l’Europe et les colonies d’Homo sapiens étaient construites à partir d’os de mammouth.

« J’aimerais pouvoir vous dire que la deuxième fois est aussi bonne que la première, lors de l’imagerie des trous noirs. Mais ce ne serait pas vrai. C’est en fait mieux », a déclaré Feryal Özel, astrophysicien à l’Université d’Arizona et membre de la Collaboration EHT.

Le sentiment d’Özel vient du fait que l’image d’EHT de SgrA * n’est pas seulement une vue spectaculaire. C’est la preuve concrète que l’humanité a, en fait, réussi à prendre des photos des moteurs insaisissables qui alimentent notre univers. SgrA * a une structure en forme de beignet semblable à la précédente image du trou noir de l’équipe, confirmant ainsi que ces anneaux lumineux ne sont pas le produit d’une coïncidence ou d’un bruit environnemental.

Ils représentent des trous noirs.

La saga du Sagittaire A*
C’est en 1974 que les astronomes ont découvert pour la première fois la présence de Sgr A*, grâce à un signal radio très lumineux émanant du cœur de la Voie lactée. Mais à l’époque, il n’était pas clair si le signal provenait d’un trou noir. C’était seulement suspecté.

Au cours des quatre décennies suivantes, cependant, d’autres observations ont révélé des étoiles encerclant la source radio sur des orbites extrêmes et à une vitesse extrême – les deux devraient se produire autour des trous noirs. Et en 2018, il y avait une confirmation encore plus complète que Sgr A * est absolument un trou noir supermassif, et un avec une masse de plus de 4 millions de soleils. Deux des scientifiques qui ont étudié Sgr A* ont reçu le prix Nobel de physique 2020.

Pourtant, nous ne pouvions toujours pas voir le trou noir. Jusqu’à présent, c’est.

Un champ d’étoiles au centre de la galaxie de la Voie lactée, montrant un nuage rouge poussiéreux et des étoiles bleues au premier plan
Une image du cœur de la Voie lactée, prise par le télescope spatial Hubble de la NASA en 2016.

A field of stars at the centre of the Milky Way galaxy, showing a dusty red cloud and blue foreground stars

L’image incroyable de l’EHT est la confirmation visuelle longtemps recherchée de la vraie nature de Sgr A*, nous permettant enfin de poser les yeux sur le moteur derrière les tourbillons de la Voie lactée et d’affiner notre capacité à étudier les gouffres colossaux de l’univers et leur physique exotique. « C’est un grand – non, c’est un énorme – moment pour tout le monde dans la collaboration Event Horizon Telescope », a déclaré J. Anton Zensus, directeur de l’Institut Max-Planck de radioastronomie en Allemagne.

Un aperçu détaillé des résultats a été publié jeudi dans une série d’articles parus dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Image de l’invisible
Les effets gravitationnels d’un trou noir sont si puissants que le gouffre perce un trou dans l’espace-temps. Mais les trous noirs ne sont pas exactement des « trous noirs ». Ils ressemblent plus à des failles invisibles dans le cosmos.

Fondamentalement, lorsqu’une étoile suffisamment grande meurt, elle s’effondre en un seul point avec une immense attraction gravitationnelle appelée singularité. Cette force d’attraction est si inimaginable que lorsque du gaz, de la poussière ou de la lumière tombe, les particules ne peuvent jamais s’échapper. Rien ne peut s’en échapper, ce qui rend les trous noirs pratiquement invisibles.

En fait, depuis que les trous noirs ont été théorisés pour la première fois par Einstein au début du 20e siècle, les astronomes n’étaient convaincus que ces vides n’existaient que grâce aux mathématiques pures. Mais il y a une mise en garde. Bien que nous ne puissions pas « voir » exactement un trou noir, nous pouvons visualiser la région environnante où ces particules condamnées à jamais sont sur le point de descendre vers son centre.

En d’autres termes, juste à l’extérieur de l’obscurité du vide puissant, le gaz et la poussière sont surchauffés à des milliards de degrés Celsius et libèrent de la lumière à travers le spectre électromagnétique. Pour nous, cette lumière apparaît sous forme de rayons X et d’ondes radio. Ces deux signaux peuvent être détectés depuis la Terre, et c’est ainsi que nous pouvons voir l’invisible.

Cependant, pour capturer ces inestimables empreintes de trous noirs, vous avez en quelque sorte besoin d’un télescope de la taille de notre planète entière.

Mais parce que ce n’est évidemment pas faisable, EHT a trouvé un moyen fascinant de contourner la condition préalable.

Il reliait virtuellement 11 radiotélescopes au sol, tous positionnés autour de la Terre. Au fil du temps, ces appareils ont recherché les signatures de trous noirs super chaudes dérivées de particules, ou plutôt la frontière entre notre univers et les entrailles inconnues et « invisibles » d’un trou noir.

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Cette image montre les emplacements de certains des télescopes composant l’EHT, ainsi qu’une représentation des longues lignes de base entre les télescopes.

Le télescope Event Horizon voit l’horizon des événements en synchronisant les observations de leurs nombreux radiotélescopes dispersés à travers le monde. Il recueille la lumière de la zone située juste à l’extérieur de l’horizon à l’aide d’une technique connue sous le nom d ‘ »interférométrie à très longue base » ou VLBI.

En un mot, VLBI nécessite que deux télescopes individuels se concentrent sur le même endroit dans l’espace en même temps. Par exemple, un télescope au Chili et un télescope au pôle Sud pourraient regarder vers un horizon des événements. Ensuite, comme les oscilloscopes sont soumis à un chronométrage extrêmement précis, les résultats de chaque télescope peuvent être combinés en un composite final. Cela crée en quelque sorte un télescope virtuel aussi grand que la distance entre les deux sites. Et des télescopes plus gros, en général, signifient une résolution plus élevée.

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Les radioastronomes utilisent cette méthode depuis des décennies, mais étendez le concept à 11 télescopes à travers le monde et vous obtenez un télescope de la taille de notre planète. Parfait pour l’imagerie d’un trou noir.

Les multiples télescopes d’EHT se sont associés en même temps et ont observé le trou noir pendant plusieurs heures. Comme le dit Katie Bouman, chercheuse en imagerie computationnelle et membre de l’EHT, « notre radiotélescope serre la main ». Ensuite, ces résultats ont été combinés, toutes les données ont été traitées par un algorithme et – bang ! — nous avons notre image d’un trou noir.

« Prendre une photo avec l’EHT, c’est un peu comme écouter une chanson jouée sur un piano auquel il manque beaucoup de touches », a déclaré Bouman. « Puisque nous ne savons pas quand les touches manquantes doivent être frappées, il y a un nombre infini de morceaux possibles qui pourraient être joués. Néanmoins, avec suffisamment de touches fonctionnelles, notre cerveau peut souvent combler les lacunes pour reconnaître correctement la chanson. »

En 2019, c’est aussi ainsi que les scientifiques ont créé la première photo de trou noir au monde. Mais le nouveau sujet du trou noir d’EHT a posé quelques obstacles supplémentaires.

Première image d’un trou noir
La première image d’un trou noir, prise en 2019 par le télescope Event Horizon.
Fondation nationale de la science

First image of a black hole
M87* contre SgrA*
La muse de la première image d’EHT – un anneau de lumière orange et jaune flou estampé contre le vide cosmique incolore – est M87*, un trou noir supermassif qui se trouve au cœur de la galaxie Messier 87 à environ 55 millions de lumière. ans de la Terre. Il a une masse 6,5 milliards de fois supérieure à celle de notre soleil.

Mais l’EHT espérait toujours apercevoir Sgr A * aussi, en particulier parce que le trou noir de notre galaxie d’origine est ce à quoi les scientifiques pensent que la plupart des trous noirs de l’univers ressembleraient.

« Alors que M87* était l’un des plus grands trous noirs de l’univers et qu’il lance le jet qui perce toute sa galaxie, SgrA* nous donne un aperçu de l’état beaucoup plus standard des trous noirs – silencieux et au repos », a déclaré Michael Johnson, astrophysicien au Harvard Smithsonian Center of Astrophysics.

Cependant, SgrA * était beaucoup plus difficile à imager que M87 simplement parce que nous n’avions pas un grand angle, et les télescopes d’EHT devaient voir à travers des gaz et des poussières gênants qui obscurcissent davantage le vide. Lors de l’étude de M87*, ces problèmes n’étaient pas vraiment présents.

Pense-y de cette façon. Dans le cinéma du cosmos, nous étions assis dans une salle vide avec des sièges inclinables, observant le trou noir de Messier 87 sur notre écran planétaire. Pour Sgr A*, nous étions entourés d’autres clients qui se levaient constamment pour faire pipi et interrompaient le spectacle.

L’autre problème était le film que nous essayions de regarder. La région autour d’un trou noir est assez dynamique, ou en flux, en raison de la mécanique gravitationnelle extrême. Parce que Sgr A* est beaucoup plus proche de la Terre et a un horizon des événements plus petit que M87*, la lumière qu’il envoie à nos télescopes change en quelque sorte beaucoup plus rapidement. C’est plus variable. Et cette variabilité pose problème à l’EHT car le télescope de la taille de la Terre doit observer le trou noir pendant plusieurs heures. Sgr A* change pendant plusieurs minutes.

« C’est un peu comme changer la tonalité de la chanson alors que nous la jouons sur notre piano cassé », a déclaré Bouman.

C’est « comme essayer de prendre une photo d’une chute d’eau avec une longue vitesse d’obturation ; le sujet change trop rapidement pour obtenir une image nette », note James Miller-Jones, astronome à l’Université Curtin en Australie occidentale. Pour voir Sgr A*, il faut beaucoup plus de travail de la part de l’algorithme qui assemble l’image finale.

Mais, hélas, ils l’ont fait.

Les collaborateurs ont collecté des dizaines de milliers d’images différentes avec différentes méthodes – y compris des simulations factices du trou noir basées sur des données concrètes – pour obtenir autant d’informations que possible sur SgrA*. Ensuite, ils ont regroupé ces images par resemblance en quatre catégories, et enfin, ont fait la moyenne de tout ensemble.

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« Grâce à des années de tests exhaustifs sur des données réelles et simulées, nous sommes maintenant convaincus qu’il existe des preuves convaincantes que la véritable structure sous-jacente est un anneau », a déclaré Bouman.

Voler au centre de la Voie lactée pour révéler la première image de trou noir.
Collaboration EHT
Donc, avec les deux problèmes majeurs surmontés, nous avons doublé notre réserve de photographies de trous noirs à un grand total de deux – et ouvert un portail vers l’infini irréfléchi au centre de la Voie lactée. Maintenant quoi?

Tout n’est que relativité
Voir un trou noir nous donne l’occasion de tester l’une des théories fondamentales de l’univers : la relativité générale d’Einstein.

En un mot, la théorie nous donne un moyen de comprendre la gravité via la déformation de l’espace et du temps, ou de l’espace-temps. C’est le tissu semblable à l’océan de l’univers. Les objets massifs déforment beaucoup l’espace-temps et les trous noirs… eh bien, ils le cassent presque. Ainsi, en les étudiant, les astronomes peuvent mettre la théorie d’Einstein à l’épreuve dans certains des environnements les plus extrêmes que nous connaissons.

Avec deux trous noirs de masses différentes, comme M87* et Sgr A*, nous pouvons à nouveau tester la théorie. L’une des principales prédictions de GR est que les trous noirs sont décrits par trois caractéristiques : leur masse, leur spin et leur charge. Maintenant que nous en avons vu deux, la théorie tient-elle ? Eh bien, bien sûr que oui !

« Nous avons été stupéfaits de voir à quel point la taille de l’anneau correspondait aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein », a déclaré Geoffrey Bower de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique, Academia Sinica, Taipei.

Un trou noir courbe le tissu même de l’espace-temps, y perçant essentiellement un trou qui dévore toute matière.

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En juillet 2021, l’EHT a révélé qu’il avait tourné ses nombreux yeux vers le trou noir au centre de la galaxie Centaurus A et étudié ses jets astrophysiques, qui s’étendent dans le cosmos. Les jets, produits par de nombreux trous noirs, sont essentiellement des trains de marchandises en fuite de plasma lancés depuis les bords de l’horizon des événements. La résolution incroyablement élevée de l’EHT a permis aux astronomes de scruter l’intérieur de ces jets pour la première fois, révélant leurs caractéristiques.

Sans surprise, la théorie de la relativité générale d’Einstein a également résisté ici.

Et il ne s’agit pas simplement d’essayer d’accroître encore plus le génie d’Einstein. Les trous noirs supermassifs semblent se cacher au centre de la plupart des galaxies. « La croissance des trous noirs supermassifs est étroitement liée à l’évolution de leurs galaxies hôtes », a déclaré Miller-Jones. Plus nous en apprenons sur Sgr A*, plus nous en apprenons sur la Voie lactée dans son ensemble.

« Il y a tellement plus à faire », a déclaré Anton Zensus. « Nous voulons maintenant aller faire des films. Nous voulons étudier les champs magnétiques. Nous voulons regarder les jets dans les galaxies. Et oui, nous voulons aborder à nouveau la théorie gravitationnelle. »

Dans les années à venir, nos connaissances devraient monter en flèche. Les observations de l’EHT seront complétées, par exemple, par le télescope spatial James Webb récemment lancé par la NASA. Une fois qu’il est opérationnel, il se concentrera sur Sgr A* et détectera la faible lumière des étoiles entourant le trou noir. Il est tout à fait possible que Webb repère une étoile mangée par Sgr A * ou détecte des collisions sauvages près de l’horizon des événements. Il est probable que les astronomes découvriront des choses dont ils n’ont jamais rêvé.

Pour aujourd’hui, au moins, ils peuvent se prélasser dans la lueur orange de Sgr A*, capturée par un télescope de la taille de la Terre, et imaginer les possibilités.

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