Le trou noir au cœur de la Voie lactée comme vous ne l'avez jamais vu

L'image du trou noir au centre de la Voie lactée | EHT Collaboration

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Au centre de toutes les grandes galaxies se trouve le cœur battant d’un trou noir supermassif. Après avoir présenté en 2019 la première «photographie» d’un trou noir — M87*, situé à quelque 53 millions d’années-lumière de la Terre, et 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil — en 2019, la vaste collaboration Event Horizon Telescope (EHT), qui réunit plus de 300 chercheurs de 80 institutions autour du monde, s’est attelée à notre propre Voie lactée. Elle dévoile, pour la première fois, un cliché du trou noir au centre de notre galaxie, baptisé Sgr A*. Le moment est historique. Pour l’occasion, une avalanche de 10 nouvelles études scientifiques ont été présentées dans les Astrophysical Journal Letters.

Pourquoi c’est une prouesse. Jusqu’au 10 avril 2019, il n’existait que des images indirectes de ces monstres stellaires. Et pour cause: la lumière ne peut s’échapper d’un trou noir, ce qui rend l’utilisation des instruments optiques traditionnels impossible. Surtout, leur échelle, comparée à la Terre, est titanesque: pour observer l’anneau de lumière autour du monstre céleste, il faudrait pouvoir disposer d’une lentille gigantesque….

Une collaboration autour du globe. Pour pallier le problème, la collaboration EHT avait eu l’idée singulière de combiner les données de huit grands radiotélescopes terrestres (au Chili, en Espagne, à Hawaï, au Mexique, au pôle Sud et en Arizona) répartis autour du monde, principalement dans des zones désertiques, afin de s’affranchir des perturbations atmosphériques. Ces derniers ont réalisé leurs observations de nuit, de la même façon qu’un appareil photo saisissant un cliché en pose longue.

A l’occasion de la conférence organisée pour présenter les résultats, Huib Jan van Langevelde, directeur du projet EHT, de l’Université de Leyde aux Pays-Bas, se réjouit:

«Sans une telle coopération internationale, jamais une telle découverte n’aurait été possible par un seul observatoire, ou même par un seul pays. Nos observations concordent avec les travaux réalisés par Reinhard Genzel et Andrea Ghez sur les trous noirs au centre des galaxies, qui a reçu le prix Nobel de physique en 2020

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En jaune, les huit télescopes de la collaborations EHT impliqués dans la découverte | EHT
Un télescope virtuel de la taille de la Terre. De quoi simuler un gigantesque télescope virtuel de la taille de la Terre pour mettre au jour l’élusif trou noir… Concrètement, les astronomes se sont basés sur la technique de l’interférométrie à très longue base (VLBI en anglais) pour assembler les données reçues de chaque radiotélescope. Thomas Krichbaum, de l’Institut Max-Planck de radioastronomie de Bonn, explique comment ils ont procédé:

«Pour combiner les données des huit télescopes, nous avons tiré parti de ce qu’on appelle l’interférométrie VLBI. Concrètement, les données de chaque télescope ont été enregistrées avec l’heure exacte de la mesure, obtenue par une horloge atomique locale. Stockées sur des disques durs, ces données ont ensuite été acheminées, afin d’y être analysées, dans les deux centres de traitement des données de la collaboration EHT: à l’institut Max Planck à Bonn, et à l’observatoire Haystack du MIT aux Etats-Unis.»

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Localisation des huits télescopes utilisés autour du globe | EHT

Un défi scientifique... Le premier défi que l’équipe d’astronomes a dû résoudre, c’est celui de la résolution. Situé à 27’000 années-lumière de la Terre, le trou noir au cœur de la Voie lactée nous apparaît à la même taille qu’un beignet posé sur la Lune… «Concrètement, le trou noir au cœur de la Voie lactée mesure la taille de l’orbite de Mercure autour du Soleil et représente quatre millions de fois la masse du Soleil», précise Sara Issaoun, chercheuse au Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics. Par comparaison, M87* est beaucoup plus grand, comme le montre l’image ci-dessous: le trou noir est si grand qu’il pourrait englober toutes les planètes connues du système solaire.

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Comparaison de la taille des deux trous noirs | EHT

Sgr A* est donc différent de M87*, dans la mesure où il est à la fois plus proche (27’000 années-lumière contre 53 millions). Il est aussi environ 1000 fois moins massif. La chercheuse illustre:

«Si Sgr A* est un donut, alors M87* est un vaste stade sportif.»

Thomas Krichbaum poursuit:

«Il fallait que notre système puisse atteindre une résolution angulaire suffisante pour voir Sgr A*. Cette résolution équivaut à trois millions de fois celle des yeux humains: cela revient à pouvoir voir, depuis un Biergarten à Munich, une bulle dans un verre de bière à New York.»

… et informatique. La difficulté a aussi résidé dans le traitement numérique à apporter aux données pour en tirer ce cliché. Imaginez: la «photo» brute de Sgr A* pesait la bagatelle de 6 pétaoctets — contre 5 pour M87* en 2019 (pour rappel, un pétaoctet représente 1000 téraoctets, soit 1000000 gigaoctets). Thomas Krichbaum illustre:

«Si on imprimait toutes les données — ce qu’on ne fait évidemment jamais —, on pourrait parcourir la distance de la Terre à la Lune.»

Des algorithmes spécifiques ont donc dû être développés pour tirer parti de cette quantité colossale de données. Katie Bouman, chercheuse au MIT, était devenue célèbre en 2019 pour avoir participé à la conception de l'algorithme de reconstitution de l'image, suite à une photographie où l'on voit la jeune femme découvrir, sur son ordinateur, le premier cliché.

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Katie Bouman découvrant le calcul de la première image d'un trou noir | Facebook/DR
Les superordinateurs utilisés pour construire les images de ces trous noirs sont appelés «corrélateurs», précise Thomas Krichbaum.

Pourquoi c’est «flou»? Cela ne vous aura peut-être pas échappé: le cliché de Sgr A* paraît plus flou que son prédécesseur de 2019, celui de M87*. Cela tient au fait que le trou noir lui-même est en rotation et entraîne autour de lui des poches de gaz en déplacement. «C’est comme prendre une photo d’une personne en mouvement de nuit», décrit José Gomez, qui a supervisé l’approche VLBI depuis l’Institut d’astrophysique d’Andalousie à Grenade. De fait, l’équipe a en réalité saisi des milliers de clichés de Sgr A*, dont l’image présentée constitue une valeur moyenne.

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Comparaison des clichés de M87* et de Sgr A* | EHT Collaboration

Pourquoi une telle différence? M87*, plus gros et plus stable, était une cible bien plus facile: presque toutes les images se ressemblaient. Mais Sgr A* est à la fois plus proche et plus petit…

Chi-kwan Chan, de l'observatoire Steward, du département d'astronomie et de l'institut des sciences des données de l'Université d'Arizona, explique dans un communiqué: «Le gaz à proximité des trous noirs se déplace à la même vitesse — presque aussi vite que la lumière — autour de Sgr A* et de M87*. Mais alors que le gaz met des jours, voire des semaines, à décrire une orbite autour du grand M87*, il ne met que quelques minutes à le faire autour de Sgr A*, beaucoup plus petit. Cela signifie que la luminosité et la configuration du gaz autour de Sgr A* changeaient rapidement au cours de nos observations.»

Le chercheur approfondit la métaphore de son collègue:

«C’est un peu comme si l'on essayait de prendre une photo nette d'un chiot qui court après sa queue.»

Des perspectives théoriques inédites. Les chercheurs disposent désormais du portrait robot de deux trous noirs supermassifs très différents: celui au cœur d’une galaxie elliptique (M87), et celui au centre d’une galaxie spirale barrée, la Voie lactée.

«Nous pouvons maintenant étudier les différences entre ces deux trous noirs supermassifs pour obtenir de nouveaux indices précieux sur leur fonctionnement», s’enthousiasme dans un communiqué Keiichi Asada, scientifique de l'EHT, de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique, Academia Sinica, Taipei.

«Nous disposons désormais d'images de deux trous noirs — l'un parmi les plus grands, l’autre parmi les plus petits trous noirs supermassifs de l'Univers. Cela nous permettra d'aller beaucoup plus loin que jamais dans la vérification du comportement de la gravité dans ces environnements extrêmes.»

De quoi tester la théorie de la relativité générale sous toutes les coutures… «Ce type d’observation nous expliquera peut-être comment la lumière se comporte au voisinage des trous noirs (à proximité de ce qu’on appelle l’horizon des événements, d’où rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper, ndlr)», se félicite Christian Fromm, du groupe d’astrophysique computationnelle de l’Université de Wurtzbourg (Allemagne). Mariafelicia de Laurentis, de l’Université de Naples, ajoute:

«Cela représente un laboratoire unique pour tester les théories d’Einstein. La taille de Sgr A* que nous avons mesurée concorde, à quelques pourcents près, avec celle prévue par la relativité générale. L’intérêt de ce banc de test pour physiciens, au-delà de la vérification des propriétés de la relativité générale, sera aussi d’observer à partir de quel point elle ne s’applique plus. Le meilleur est encore à venir.»

Pour Anton Zensus, directeur de l’Institut Max-Planck de radioastronomie de Bonn, «s’il était encore là, Einstein serait aux anges».

La suite. Elle s’annonce passionnante. D’abord pour les développements à venir pour la physique théorique, mais aussi pour comprendre l’anatomie et le fonctionnement trous noirs eux-mêmes, comme les jets de matière qu’ils peuvent éjecter, à des distances souvent considérables.

Un exemple: en mars 2022, une recherche publiée dans Nature Astronomy, en observant un trou noir — techniquement, il s’agit toutefois d’un quasar, type de trou noir supermassif très lumineux —, remarquait que les jets semblaient plus puissants lorsque la couronne de matière en accrétion qui tourne autour de l’astre était plus petite. Autrement dit, il semblerait s’agir d’un processus en deux temps, à l’image du cœur humain, où les oreillettes réceptionnent le sang avant de l’envoyer dans les ventricules… L’approche développée par la collaboration EHT pourrait un jour permettre d’y voir plus clair.

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Structure d'un trou noir | EHT Collaboration

Concrètement, l’image M87* de 2019 —tout comme celle de Sgr A* aujourd’hui révélée — ont été obtenues au cours d’une campagne de mesure qui remonte à 2017. Mais depuis 2017, trois nouveaux télescopes ont rejoint le réseau, situés respectivement dans les Alpes françaises, à Kitt Peak en Arizona et enfin au Groenland. D’autres campagnes de mesure ont également été lancées en 2018, 2021 et 2022, ce qui laisse présager d’une avalanche de résultats dans les années à venir.

L’album des photos de famille des trous noirs devrait donc encore s’agrandir au cours des prochaines années. En attendant les résultats des campagnes en cours, les chercheurs rappellent que d’autres objets célestes ont été visés lors de la campagne de 2017: au-delà de la Voie lactée et de Messier 87 ont aussi été scrutées les galaxies Centaurus A (12,4 millions d’années-lumière) le quasar OJ 287 (3,5 milliards d’années-lumière), la galaxie elliptique NGC 1052 (69 millions d’années-lumière) et le quasar 3C 279 (5 milliards d’années-lumière).