Voici la toute première image d'un trou noir
Publié par Adrien le 11/04/2019 à 08:00
Source: CNRS Journal
C'est historique: les scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope viennent de révéler la première image d'un trou noir, celui niché au coeur de la Galaxie M87. Explications et reportage en Espagne, au pied du radiotélescope de 30 mètres de l'Iram qui a contribué à cette prouesse.


La toute première image d'un trou noir

Le groupe est resté à l'extérieur pour profiter du paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi horizontalement par un observateur, il implique un point...). Et malgré le froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) qui traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des...) les tenues les plus légères, nul n'a regretté ce choix. Au loin, les contreforts partiellement enneigés de la Sierra Nevada dessinent sur le bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus sombre comme...) azur du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) espagnol les contours d'un escalier (L’escalier est une construction architecturale constituée d'une suite régulière de marches, les degrés, permettant d'accéder à un étage, de...) dont les marches descendent jusqu'à une plaine (Une plaine est une forme particulière de relief, c'est un espace géographique caractérisé par une surface topographique plane, avec des pentes relativement faibles. Elle se trouve à basse altitude,...) brumeuse occupée par la ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations doivent être à moins de 200 m chacune, par opposition aux...) de Grenade. Juste devant, cachant de sa structure massive (Le mot massif peut être employé comme :) et blanche une large fraction de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie,...), une énorme antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) interroge d'un oeil suspicieux les mystères du Cosmos...

"Voici, le télescope de 30 mètres de l'Iram qui a contribué à réaliser la toute première image d'un trou noir", annonce fièrement Frédéric Gueth, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et directeur adjoint de l'Institut de radioastronomie millimétrique (L'Institut de radioastronomie millimétrique ou Iram a été fondé en 1979. Il est le résultat d'une collaboration entre la France, l'Allemagne et l'Espagne. Ainsi, il dispose d'un partenaire...) (Iram) en se dirigeant vers une porte du bâtiment placé au pied de ce dispositif de géant. C'est en effet ici, à 2 850 mètres d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...), sur les pentes du Pico Veleta, en Andalousie, dans le sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de l'Espagne que fut recueillie en avril 2017, une partie des quatre pétaoctets (10^15 octets) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) ayant servi à l'élaboration de l'extraordinaire cliché dévoilé aujourd'hui par la collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHT). Ce dernier montre un anneau brillant entourant une région circulaire sombre: rien de moins que l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se réfléchit cette...) de M87*, trou noir supermassif (En astrophysique, un trou noir supermassif est un trou noir dont la masse est d'environ un million à un milliard de masses solaires. C'est le type de trou...) du centre de la Galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au...) M87 !


Le radiotélescope de 30 m de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de radioastronomie millimétrique, situé dans la Sierra Nevada en Espagne, fait partie des 8 observatoires dont les données ont permis d'obtenir le cliché du trou noir M87*. IRAM/DiVertiCim

Pour comprendre la portée d'une telle observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....), il faut remonter le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) sur plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge...), jusqu'à l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) 1915, date de la découverte de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique...) générale d'Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901), et...). Celle-ci démontre pour la première fois que des corps aussi massifs que des étoiles peuvent, dans certaines conditions, s'effondrer sous l'effet de leur propre gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) jusqu'à former une région de l'Espace dont plus rien, ni la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...), ni la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) ne peuvent sortir: un trou noir.

Contrairement à ce qui a d'abord été cru, un tel objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par...) ne se réduit pas à un point (Graphie) ou à une singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou de quelqu'un. En particulier, le terme est employé dans les domaines suivants :) perdue dans l'immensité du Cosmos. Il est délimité par une frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les...) intangible et invisible appelée horizon des événements (L'horizon des événements est constitué par la région de l'espace-temps dans laquelle un événement peut-être perçu par un observateur.), au-delà de laquelle rien ne peut revenir.

Relativité générale confirmée

C'est l'existence de cet horizon des événements associée aux trous noirs que démontre l'image diffusée par la collaboration EHT. La découverte qui fait l'objet de six articles dans la revue Astrophysical Journal Letters, confirme aussi, pour la première fois de manière directe, la validité des équations de la relativité générale d'Albert Einstein dans un régime de forts champs de gravité. Mais avant d'en arriver là, bien des efforts ont été nécessaires.

En effet, explique Frédéric Gueth en pénétrant dans la salle de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) où des écrans pilotent la titanesque machine, fonctionnant dans le domaine des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) millimétriques: "Projeté sur la voûte céleste, un horizon des événements a l'aspect d'un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet —...) parfaitement noir, plus ou moins aplati." Tel quel, exception faite peut-être d'une forme de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) particulière théorisée par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les...) Stephen Hawking (Stephen W. Hawking, CH, CBE, FRS, FRSA, est un physicien théoricien et cosmologiste anglais, né le 8 janvier 1942 à Oxford. Hawking a...), il ne serait pas repérable par des télescopes.

Rayonnement intense

"Heureusement, les trous noirs sont rarement des astres isolés. Ceux repérés au centre des Galaxies occupent des régions riches en étoiles, en poussières et en gaz", précise le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant...). Cette matière en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) de ces objets cosmiques forme un disque d'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) dont l'échauffement produit un rayonnement intense caractéristique. Toutefois, elle devient invisible, dès lors qu'arrachée à cette structure annulaire, elle franchit la limite de l'horizon des événements. Créant au bout du compte une région sombre sur un fond brillant: l'ombre du trou noir.

Entretien avec Jean-Pierre Luminet (2005)

L'image que renvoie un tel objet vers un observateur lointain, n'a cependant rien d'intuitif. Dès 1979, Jean-Pierre Luminet, alors jeune chercheur au CNRS, l'a modélisée (lire le communiqué à ce sujet) en prenant en compte les propriétés physiques de la matière soumises à ces conditions infernales et la façon dont la structure de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur...) - notamment la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) des rayons lumineux qui la traversent - est affectée par la gravité du trou noir. Le cliché diffusé par l'équipe du EHT montre l'ombre de M87* vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) sous un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) d'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de...) du disque d'environ 60° avec ce dernier tournant dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) des aiguilles d'une montre. On y distingue dans le halo lumineux entourant la région sombre centrale, une zone plus brillante sur un seul côté. Cette dernière est caractéristique d'une image déformée par la présence du trou noir.


Simulation numérique d'un disque d'accrétion gazeux autour d'un trou noir réalisée par l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet. La forte courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) de l'espace déforme l'image du disque et permet d'en voir simultanément le dessus et le dessous. Jean-Pierre LUMINET/CNRS Photothèque

Problème de taille

Autre problème qu'ont dû surmonter les scientifiques: la taille. En effet, l'horizon des événements d'un trou noir ne délimite qu'un minuscule volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'espace. Une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de cette...) de quelques dizaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....) à peine lorsque ce dernier est issu d'une simple étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) massive. Conséquence, poursuit Frédéric Gueth: "Avec les moyens actuels, les astronomes ne peuvent espérer observer que les trous noirs supermassifs les plus proches." Et ils ne disposent pour cela que de deux cibles potentielles: Sagittarius A* (en abrégé SgrA*), l'objet de 4,14 millions de masse solaire (En astrophysique, la masse solaire est l'unité de masse conventionnellement utilisée pour les étoiles ou les autres objets massifs. Elle est égale à la masse de notre Soleil. Son symbole et sa valeur sont :) qui occupe le centre de la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situent le Système solaire (dont...) à 26 000 années-lumière de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...). Et M87*, géant de 6,5 milliards de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) solaire, placé au coeur de la Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) elliptique Messier 87 (M87), dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes...) de la Vierge.

Mais, le défi n'en restait pas moins considérable. En effet, l'horizon des événements de M87* a un rayon compris entre 65 et 123 unités astronomiquesFermerUne unité astronomique (L’unité astronomique (symbole ua) correspond approximativement à la longueur du demi-grand axe de l’orbite terrestre. Historiquement, les mesures astronomiques se résumaient à des mesures géométriques, et ne...) correspond à la dDistance entre la Terre et le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...). - mais il s'agit de le discerner à 50 millions d'années-lumière de distance ! Même en profitant de l'effet de loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du...) dû aux lentilles gravitationnelles créé par la relativité générale, les astronomes doivent distinguer une ombre occupant sur la voûte céleste un angle inférieur à 25 micro-arc-secondes. Hors de portée des plus puissants télescopes !


Image prise par Hubble de la Galaxie M87 où le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est inspiré du roman Vingt mille lieues sous les mers de...) M87* a été photographié. NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale...), ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Acknowledgment: P. Cote (Herzberg Institute of Astrophysics) and E. Baltz (Stanford University)

Résolution haute précision

D'où le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) EHT. Lancé en 2016 sous l'impulsion de Sheperd Doeleman et de Heino Falcke, respectivement astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) au MIT (États-Unis) et professeur à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Radboud (Pays-Bas), ce programme international, financé pour sa partie européenne via une bourse du Conseil européen de la recherche d'un montant de 14 millions d'euros, consiste à faire appel à une technique d'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) à très longue base (VLBI), rarement utilisée à une telle échelle et à de telles longueurs d'ondes (1,3 millimètre) afin de saisir les images des ombres de SgrA* et de M87*.

"En effet, explique Frédéric Gueth, les poussières opaques présentes sur la ligne de visée de ces sources ne laissent passer la lumière qu'à ces fréquences." En synchronisant avec une précision d'une fraction de millionième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...) les instruments de huit - bientôt dix - observatoires répartis sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) du globe, puis en croisant les données récoltées, ces astronomes entendent produire des clichés d'une résolution équivalente à celle qu'aurait un unique radiotélescope de 10 000 kilomètres de diamètre. Une résolution de 26 micro-arc seconde, qui permettrait de lire, depuis New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville...), un journal déposé sur une table parisienne !


La collaboration internationale Event Horizon Telescope réuni 8 observatoires répartis dans le monde. EHT

Images et modèles numériques

C'est à cette expérience mondiale et inédite qu'ont participé les scientifiques du 30 mètres de l'Iram, Pico Veleta. Durant quatre jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale)...), les 5, 6, 10 et 11 avril 2017, ce radiotélescope a, en coordination avec sept autres instruments placés aux États-Unis, à Hawaï (Hawaï ou Hawaii (en hawaïen : Hawai‘i ; en anglais : Hawaii) est un État des États-Unis situé dans l'océan Pacifique, à environ 3 900 kilomètres...), au Chili, au Mexique et en Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de l'océan Austral (ou océan...) - parmi lesquels l'interféromètre géant Alma -, dirigé son oeil successivement vers Sgr A* et sur M87*. Un moment de stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le langage courant, on parle de stress...) pour l'équipe, car, comme le raconte Pablo Torne de l'Iram qui participait à l'aventure: "La technique n'avait jamais été employée dans ces conditions et il était impossible de savoir si l'on avait réussi."

La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) de données recueillies au cours du test dépassant de loin, les capacités d'Internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World Wide Web, en...), toute l'information fut emmagasinée sur des disques durs qui devaient être, acheminés plus tard jusqu'à des centres spécialisés placés à Haystack (États-Unis) et à Bonn (Allemagne). Cette opération ne fut achevée qu'à la fin du mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) de décembre. Helge Rottman du Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) se souvient avoir vécu un "instant de grande excitation" lorsque, enfin, à la veille de Noël, le dernier paquet est arrivé à Bonn: "Il a fallu attendre six mois qu'un hélicoptère soit disponible pour aller récupérer, en Antarctique, les mémoires de stockage du Télescope du Pôle Sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud de la surface de la Terre, diamétralement opposé au pôle Nord. Il est situé sur le continent...) (SPT) !"

Une fois recombinés dans les puissants corrélateurs du Haystack Observatory, près de Boston et du MPIfR à Bonn, les signaux ont été confiés à quatre équipes qui ont travaillé de manière indépendante. Ces groupes ont procédé, chacun de leurs côtés, aux traitements adéquats pour en tirer, selon trois méthodes différentes, des images qu'il a fallu débarrasser de leurs artefacts et confronter aux modèles numériques. Un travail de bénédictin qui a abouti à cette visualisation inédite de M87* ainsi qu'à une estimation précise de la taille de son ombre (22 micro-arc-secondes) et de sa masse: entre 5,8 milliards et 7,2 milliards de fois la masse du Soleil, une valeur cohérente avec les estimations précédentes des astronomes.


L'opération s'est toutefois soldée par un échec dans le cas de SgrA*, certes moins massif (Le mot massif peut être employé comme :) mais pourtant beaucoup plus proche. En effet, explique Frédéric Gueth: "Aux problèmes de calibration, s'est ajouté le constat que cette source est fluctuante et peut-être mal orientée par rapport à la Terre." Que ce soit à cause des mouvements de matière dans le disque du trou noir ou d'un autre phénomène, les variations horaires de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) de l'ombre, brouillent les signaux.

Un souci que les équipes espèrent résoudre en augmentant, lors des prochaines campagnes, la sensibilité du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) EHT par l'ajout de nouvelles stations d'observation. L'une d'entre elles sera située en France. Il s'agit de l'interféromètre Noema de l'Iram dont les dix (et bientôt douze) antennes de 15 mètres installées à 2500 mètres d'altitude, sur le Plateau de Bure, dans les Hautes-Alpes, vont rentrer dans la danse. Avec un objectif: arracher aux trous noirs leurs ultimes secrets.
Page générée en 0.023 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique