Voici la première photo d'un trou noir

Un réseau de radiotélescopes a recueilli la première image de l'environnement d'un trou noir: c'est un anneau de feu qui entoure le point de non-retour. Selon la relativité d'Einstein.

Le monstre n'a ni yeux ni cheveux. Il n'a qu'une grande bouche, comme le loup dans les contes de fées. Mais il peut manger beaucoup, beaucoup plus: des étoiles comme le Soleil, sans battre une paupière, il fait une seule bouchée. Cependant, le démasquer n'est pas facile, car le géant est noir sur fond noir, parfaitement camouflé dans l'habitat dans lequel il se déplace, le ciel nocturne. Maintenant, les scientifiques de l'Event Horizon Telescope (EHT), un consortium de 8 radiotélescopes situés dans tous les coins de la planète - après des années de travail - ont finalement révélé sa forme, annonçant ce qui a été appelé la "photo du siècle", le première image directe de la bande la plus intérieure qui s'enroule autour d'un trou noir.

La découverte. La photo récemment publiée représente le trou noir M87, qui a une masse de 6,5 milliards de fois celle du Soleil et est situé au centre de la galaxie du même nom, à 55 millions d'années-lumière de nous dans la constellation de la Vierge. Ce géant est particulièrement actif car il avale une énorme quantité de matière. La photo qui le surprend lors du repas illustre les données recueillies en avril 2017.

"Avec cette expérience, nous avons montré qu'il existe des trous noirs et qu'ils peuvent être étudiés avec des observations astronomiques", explique Focus Ciriaco Goddi, astronome des universités de Nimègue et Leiden (aux Pays-Bas) et secrétaire du conseil scientifique de l'EHT. «La preuve de l'existence de ces corps célestes est d'une importance fondamentale dans notre conception de l'univers. En fait, les trous noirs sont l'une des principales prédictions de la théorie d'Einstein de la relativité générale ».

Aux yeux des astronomes, il y a aussi le Sagittaire A *, le trou noir géant (4 millions de fois le Soleil) situé au centre de la Voie lactée, notre galaxie. Mais le Sagittaire A * est moins actif que le M87, c'est-à-dire qu'il avale moins de matière, et de plus - étant plus petit - son "repas" se produit plus rapidement. Bref, il est plus difficile de le saisir en fait et de le photographier comme dans l'image qui parcourt désormais le monde.

Voyage sans retour. Les trous noirs sont les corps célestes les plus extrêmes imaginables. Ils avalent tout ce qui franchit leur frontière, y compris la lumière. Pour cette raison, ils apparaissent comme des sphères noires, délimitées par un horizon d'événement défini en surface. "C'est une sorte de membrane" à sens unique ", où la matière et la lumière peuvent entrer mais pas sortir, en raison de la force gravitationnelle intense", explique Goddi.

L'existence de trous noirs a d'abord été déduite d'une solution des équations de la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui a été publiée pour la première fois par le physicien allemand Karl Schwarzschild en 1916. Le terme «trou noir» a ensuite été popularisé par le physicien américain. John Archibald Wheeler dans les années 1960, alors que le premier de ces objets identifiés dans l'univers était, au début des années 1970, le Cygnus X-1, à 6000 années-lumière de nous dans la constellation du Cygne.

De nombreux types. Aujourd'hui, des dizaines de trous noirs sont connus, classés en fonction de leur taille. Il y a notamment:

1. trous noirs stellaires comme Cygnus X-1, qui ont une masse du Soleil environ dix fois et se forment généralement lorsqu'une grande étoile - à la fin de sa vie - explose en générant une supernova (au centre il y a un trou noir );

2. les trous noirs géants au centre des galaxies , comme le Sagittaire A * (pour la Voie lactée) et M87 (pour la galaxie M87);

3. les trous noirs intermédiaires , de 30 à 60 masses solaires, récemment découverts par des observateurs d'ondes gravitationnelles (leur origine n'a pas encore été entièrement clarifiée);

4. les hypothétiques trous noirs primordiaux : des mini trous noirs qui, selon certaines théories, se seraient formés aux premiers stades du Big Bang, et qui pourraient en partie expliquer le mystère de la masse manquante de l'univers.

Comment ils sont observés. Tout simplement parce qu'ils sont si sombres, les trous noirs sont difficiles à observer. Les seules observations directes, en réalité, sont celles basées sur les ondes gravitationnelles LIGO (aux États-Unis) et Virgo (en Italie), qui ne parviennent cependant à "écouter" - à ce jour - que les événements les plus violents, alors qu'ils sont insensibles au reste.

Avec des instruments "traditionnels" (c'est-à-dire sensibles aux ondes électromagnétiques telles que la lumière), il est plutôt possible d'observer les rayonnements émis par la matière qui est engloutie dans un trou noir, et qui forme généralement un vortex incandescent de poussière et de gaz qui est enveloppé spirale vers le centre. Dans ce voyage sans retour, le matériau est chauffé à des températures très élevées, il émet donc des rayonnements énergétiques tels que les rayons X et les rayons ultraviolets.

Près de l'horizon des événements, cependant, l'espace et le temps sont déformés à un point tel que le rayonnement émis par la matière incandescente est "étiré" et change de nature: sa longueur d'onde augmente et son énergie diminue. Les rayons UV et X se transforment en ondes radio. Pour cela, pour observer les contours du trou noir, il faut utiliser des radiotélescopes. En particulier, une longueur d'onde est utilisée, ce qui est pratique pour les observations, car elle permet d'obtenir une image plus nette. "Ce que vous voyez est un" trou "de lumière, entouré d'un anneau lumineux", explique Goddi. "C'est précisément l' ombre que nous avons photographiée".

Cette image est importante car - selon la relativité générale - elle est déformée par la gravité (un effet connu sous le nom de "lentille gravitationnelle"). Il est également affecté par la rotation du trou noir et sa charge électrique éventuelle. Bref, sachant la regarder, l'ombre fournit une mesure directe de la masse, du diamètre, de la rotation et, éventuellement, de la charge électrique du trou noir . En pratique, il constitue un identikit.

Dimensions planétaires. Les trous noirs les plus grands et les plus actifs sont très loin de nous, et semblent donc de petite taille. Distinguer leur ombre nécessite une résolution beaucoup plus élevée que ce que le meilleur radiotélescope sur Terre peut garantir à lui seul. Pour réaliser la "photo du siècle" il a donc fallu construire un réseau de radiotélescopes situés dans des endroits éloignés, de l'Antarctique au Japon, afin que - synchronisant leurs mesures avec la précision de 1 seconde sur cent millions d'années - ils se soient comportés comme un seul télescope planétaire. De cette façon, il a été possible d'observer les sources avec la même résolution qui serait nécessaire pour distinguer une orange sur la Lune.

Un océan de données. C'était déjà un défi très respectable. Mais les 200 scientifiques collaborateurs ont dû faire face et résoudre une autre difficulté: la gestion des données produites par les mesures. En fait, chaque radiotélescope génère une telle quantité de bits qu'il est impossible de les faire voyager sur Internet. La solution? Chaque station a enregistré ses données sur des disques durs, qui ont ensuite été envoyées par avion (le plus rapide) aux deux centres d'analyse dédiés à l'analyse: un au MIT de Boston (États-Unis) et un au Max Planck Institut de Bonn ( en Allemagne). Au total, la photo résume environ quatre pétaoctets de données, plus ou moins les mêmes que celles qui seraient nécessaires pour réaliser une mosaïque de photos de tous les habitants de la planète.

L'infaillible Albert. Le résultat est devant nos yeux. Une photo jamais vue auparavant qui confirme une fois de plus les prédictions de la relativité générale d'Einstein. L'étape suivante? Collectionnez des images toujours meilleures, pour voir les monstres les plus terribles de l'univers en face.

"Ce n'est qu'un début", souligne Goddi. «Maintenant, nous devons nous concentrer sur le Sagittaire A *, étudier les champs magnétiques, comparer (avec les données que nous avons déjà) des images prises à différents moments. À l'avenir, nous aimerions ajouter de nouveaux télescopes au réseau et observer à des fréquences plus élevées, pour une résolution encore meilleure et une image plus nette. À long terme, nous aimerions aller dans l'espace et utiliser la même technique avec les satellites. Bref, nous serons encore très occupés à améliorer les mesures et à tester de plus en plus précisément la théorie d'Einstein ».

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