La première photo d’un trou noir enfin révélée

Ce cliché historique prouve l’existence des trous noirs. Comment ont fait les astronomes ? Visite du seul télescope européen qui a participé à cette prouesse.

Pour voir loin, il faut toujours aller vers le très haut. Ici, les cyclistes avertis n’en font pas un « Tourmalet » espagnol, mais qualifient cette route de « plus élevée d’Europe ». Son ascension est un must. Même en voiture, elle débute par une longue départementale sinueuse au milieu d’une forêt de conifères et traverse de jolis villages. Puis, l’asphalte rétrécit, les arbres se raréfient tout comme les bergeries qui, au fur et à mesure de la montée, finissent à l’état de ruines avec leur panneau « Se vende » [à vendre]. Bienvenue dans la Sierra Nevada, le massif montagneux de la cordillère ibérique dominant la majestueuse ville de Grenade (Espagne).

Là, à 2 850 mètres d’altitude, entre les pistes de ski, se trouve le télescope de 30 mètres de diamètre appartenant à l’Institut de radioastronomie millimétrique (Iram). Cet observatoire est le seul d’Europe à avoir participé à la révélation scientifique de l’année : le cliché du premier trou noir (ci-dessous) rendu public ce 10 avril à 15h07 lors d’une conférence de presse en « mondovision » (Washington, Bruxelles, Santiago, Shanghai, Taipei et Tokyo). Un travail de Titan qui a fait l’objet de six articles signés par plus de deux cents chercheurs dans la revue Astrophysical Journal Letters.

Unanimement célébrée comme une découverte majeure à l’instar de celle du boson de Higgs (confirmé en 2012) ou la détection des ondes gravitationnelles (2015), cette image « est la preuve irréfutable de l’existence d’un des plus grands mystères de l’univers, prédit par les lois de la relativité d’Albert Einstein », résume Frédéric Gueth, chercheur au CNRS et directeur adjoint de l’Iram. Mais cette simple photo qui montre un anneau brillant (halo) entourant une région sombre (appelée « ombre du trou noir ») est une immense surprise.

Trou noir M87*

Voici la première véritable photo d’un trou noir, diffusée mercredi 10 avril 2019. Il s’agit de M87*, un mastodonte situé à 55 millions d’années-lumière de nous. Sa masse est équivalente à 6 milliards de Soleil, son diamètre est de 36 milliards (!) de kilomètres. (Source : Event Horizon TelescopeE/ESO/CNRS)

Quelques jours avant sa révélation, sur les réseaux sociaux, nombre de spécialistes pensaient que le cliché immortaliserait Sagittarius A*, un trou noir supermassif repéré en 1974 qui se trouve au milieu de notre galaxie, la Voie lactée, à environ 26 000 années-lumière de la Terre. Avec une masse estimée à 4,14 millions de Soleil, il était le candidat idéal pour les radiotélescopes comme celui du Pico Veleta. Finalement, et contre toute attente, l’image prise est celle de M87*, un autre géant de 6,5 milliards de masse solaire, situé dans la galaxie elliptique Messier 87, dans la constellation de la Vierge. « Il se situe à 50 millions d’années-lumière, mais il est 1 000 fois plus massif que Sagittarius A*, ce qui lui confère un potentiel d’observation équivalent, ajoute le chercheur du CNRS. Avant de préciser : « Derrière la photo, il y a un exploit humain et technologique inédit. »

Avec, côté scientifiques, les centaines d’astronomes du consortium international Event Horizon Telescope (EHT) créé il y a presque quinze ans ; et, côté techno, le triomphe de la radiotélescopie millimétrique qui permet de voir ce que les instruments optiques ne peuvent détecter. « L’essentiel est invisible pour les yeux », disait déjà le Petit Prince, habitué à voyager dans le cosmos. Parce que, à de telles distances, regarder dans le spectre du visible devient impossible.

On a beau gravir les escaliers en colimaçon de l’antenne géante du Pico Veleta, se faufiler dans une jungle de câbles, point de coupole, ni de lunette. Au dernier étage, les traditionnelles lentilles ont fait place à des miroirs qui forment la gigantesque parabole concentrant les ondes radio vers un foyer. Lorsque l’instrument pointe son nez en direction du firmament, avec une précision redoutable (équivalente à l’épaisseur d’un cheveu), il observe dans des longueurs d’onde millimétriques (jusqu’à 0,8 millimètre) pour récupérer l’énergie émise par la source visée. Le signal se trouve dévié par une série de miroirs (sept au total) avant d’être collecté par un récepteur.

Celui-ci, sobrement baptisé « Emir », est le cerveau du radiotélescope. Mais un cerveau respirant : à l’intérieur, une pompe bat à intervalles réguliers comme un cœur pour le refroidir et atteindre un milieu proche du vide absolu. « Les signaux reçus sur Terre étant très faibles, ils doivent être amplifiés pour être traités », détaille Miguel Sanchez, le manager de l’observatoire. Une fois cette opération terminée, ils sont transformés en données.

En opérant à de telles longueurs d’onde, les scientifiques peuvent observer ce qui est froid dans l’univers – quelques degrés au-dessus du zéro absolu -, là où se forment les étoiles. Ils peuvent scruter les origines de l’univers, le fond du cosmos jusqu’au Big Bang et détecter des molécules interstellaires inconnues sur Terre, mais fondamentales dans la recherche des débuts de la vie. « Près de 200 ont été répertoriées et les deux tiers ont été découvertes depuis ce radiotélescope », ajoute Miguel Sanchez.

Et si l’engin de 30 mètres de l’Iram peut étudier la naissance d’une étoile, il peut en « voir » la mort ou plutôt ses derniers instants : lorsqu’elle a épuisé son combustible, elle s’effondre sous l’effet de son propre poids et peut (pour les plus massives) donner naissance à un… trou noir. « Cet objet céleste fascine, sans doute par sa capacité à avaler tout ce qui l’entoure, reprend Frédéric Gueth, mais il est par définition impossible à voir si bien que l’on se contente de sa frontière, appelée « horizon des événements ». On l’observe donc par contraste en analysant la matière – des gaz ionisés – qui s’accrète autour, avant d’être engloutie. »

Simulation trou noir

Simulation par ordinateur du trou noir M87 réalisé en 2017 par les astronomes Jason Dexter (gauche) et Kazunori Akiyama (droite). A noter que ces simulations sont très proches de la photo révélée le 10 avril. (Source : ESO)

Depuis une grosse décennie, les scientifiques cherchent à en tirer le portrait même si le résultat – un cercle noir avec un halo plus ou moins lumineux (voir ci-dessus) ressemblant à un… donut – ne sera jamais aussi esthétique qu’une nébuleuse. Pour y parvenir, ils font donc appel à une technologie ultrasensible (la radiotélescopie millimétrique) mais, en termes de résolution, ils doivent posséder un super télescope. Celui du Pico Veleta ne suffit pas. D’où la création du consortium international EHT dans lequel ont travaillé de concert sept autres observatoires répartis sur l’ensemble du globe, notamment aux Etats-Unis, au Chili, en Antarctique ou encore à Hawaï.

« En combinant ces instruments qui font la même observation, au même moment et avec la même durée, on obtient un seul et même télescope virtuel de la taille de la Terre », résume Pablo Torne, spécialiste de l’interférométrie à l’Iram. Pour, au final, aboutir à une résolution spatiale inégalée qui permettrait à une personne se trouvant à Paris de lire un journal situé à New York ! Cette fameuse observation synchronisée s’est déroulée les 5 et 6 puis les 10 et 11 avril 2017. « Les différents radiotélescopes ont dirigé leurs yeux successivement vers Sagittarius A*, puis M87*, raconte Frédéric Gueth. Et finalement, ce sont les données collectées le 11 avril sur M87* qui ont permis d’en tirer le portrait. »

Pour bien voir le trou noir, il a fallu qu’il soit bien orienté. S’il avait été pris par la tranche ou de face, le contraste aurait été très différent. « Une mauvaise orientation depuis la Terre et une source fluctuante, ont fait que nous n’avons pas pu obtenir de cliché de Sagittarius A* », poursuit le chercheur du CNRS. Pour M87*, le miracle advint : les différents sites ont pu produire leurs montagnes de données qui se comptaient en pétaoctets. « Toutes ont été acheminées dans deux centres, près de Boston et de Bonn, pour être traitées de façon simultanée par des supercalculateurs durant trente jours sans interruption », explique Helge Rottmann du Max Planck Institut, chargé de ces opérations de corrélation.

Puis, il a fallu aux ingénieurs quasiment deux années pour créer le fameux cliché. Un travail de fourmi qui a abouti a la visualisation de M87*. Une image inestimable qui permet d’avoir une estimation précise de la taille de son ombre (22 microsecondes), mais aussi de sa masse comprise entre 5,8 et 7,2 milliards de fois celle du Soleil. « Ce qui reste fabuleux pour nous, c’est que ces mesures confirment de façon remarquable le modèle théorique (celui de Kerr) des trous noirs, conclut Frédéric Gueth. Désormais, nous savons que nous sommes sur la bonne route et que nous avons franchi une étape capitale dans la compréhension des trous noirs. Cette image nous permettra de mieux orienter et de mieux calibrer nos futures observations. » En 2020, une nouvelle campagne de l’EHT commencera avec plus de radiotélescopes (10 au total). Les trous noirs n’ont pas fini de révéler leurs secrets.

Source : L’Express

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, les expositions « Initiation à l’astronomie » et « Promenade spatiale au fil des ondes« , ainsi que la page Astronomie/Physique.

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