Trous noirs garder leurs secrets à portée de main. Ils emprisonnent à jamais tout ce qui entre. La lumière elle-même ne peut échapper à l’attraction affamée d’un trou noir.
Il semblerait alors qu’un le trou noir devrait être invisible — et prendre sa photo impossible. C’est donc en grande pompe qu’a accompagné la sortie en 2019 du première image d’un trou noir. Puis, au printemps 2022, les astronomes ont dévoilé une autre photo du trou noir – cette fois de celui au centre de la nôtre voie Lactée.
L’image montre une goutte orange en forme de beignet qui ressemble remarquablement à l’image précédente du trou noir au centre de la galaxie Messier 87. Mais le trou noir de la Voie lactée, Sagittarius A*, est en fait beaucoup plus petit que le premier et a été plus difficile à voir car il fallait regarder à travers le disque brumeux de notre galaxie. Ainsi, même si les observations de notre propre trou noir ont été menées en même temps que celles de M87, il a fallu trois années supplémentaires pour créer l’image. Cela nécessitait un coopération internationale de centaines d’astronomes, d’ingénieurs et d’informaticiens, et le développement d’algorithmes informatiques sophistiqués pour reconstituer l’image à partir des données brutes.
Ces “photos” ne montrent bien sûr pas directement un trou noir, défini comme la région de l’espace à l’intérieur d’une barrière de point de non-retour connue sous le nom d’horizon des événements. Ils enregistrent en fait des portions de la galette plate de plasma chaud tourbillonnant autour du trou noir à grande vitesse dans ce qu’on appelle le disque d’accrétion. Le plasma est composé de particules chargées de haute énergie. Alors que le plasma tourne en spirale autour du trou noir, ses particules en accélération émettent des ondes radio. L’anneau orange flou vu sur les images est une reconstruction élaborée de ces ondes radio capturées par huit télescopes dispersés autour de la Terre, collectivement connus sous le nom de Event Horizon Telescope (EHT).
La dernière image raconte l’histoire du voyage épique des ondes radio depuis le centre de la Voie lactée, fournissant des détails sans précédent sur le Sagittaire A*. L’image constitue également “l’une des preuves visuelles les plus importantes de la relativité générale”, selon notre meilleure théorie actuelle de la gravité. Sera Markoffastrophysicien à l’Université d’Amsterdam et membre de la collaboration EHT.
L’étude des trous noirs supermassifs tels que le Sagittaire A* aidera les scientifiques à en savoir plus sur comment évoluent les galaxies au fil du temps et comment ils se rassemblent en vastes grappes à travers l’univers.
Du noyau galactique
Sagittarius A* est 1 600 fois plus petit que le trou noir de Messier 87 qui a été photographié en 2019, et est également environ 2 100 fois plus proche de la Terre. Cela signifie que les deux trous noirs semblent avoir à peu près la même taille dans le ciel. Geoffroy Bowerun scientifique du projet EHT à l’Institut d’astronomie et d’astrophysique Academia Sinica à Taïwan, affirme que la résolution requise pour voir le Sagittaire A* depuis la Terre est la même que celle requise pour prendre une photo d’une orange à la surface de la Lune.
Le centre de notre galaxie est à 26 000 années-lumière de nous, de sorte que les ondes radio collectées pour créer cette image ont été émises à peu près au moment où l’un des premiers établissements humains permanents connus a été construit. Le voyage des ondes radio a commencé lorsqu’elles ont été émises pour la première fois par des particules dans le disque d’accrétion du trou noir. Avec une longueur d’onde d’environ 1 mm, le rayonnement s’est déplacé vers la Terre relativement sans être perturbé par le gaz et la poussière galactiques intermédiaires. Si la longueur d’onde était beaucoup plus courte, comme la lumière visible, les ondes radio auraient été diffusées par la poussière. Si la longueur d’onde était beaucoup plus longue, les ondes auraient été courbées par des nuages de plasma chargés, déformant l’image.
Enfin, après le voyage de 26 000 ans, les ondes radio ont été captées et enregistrées dans les observatoires radio répartis sur notre planète. La grande séparation géographique entre les observatoires était essentielle – elle a permis au consortium de chercheurs de détecter des différences extrêmement subtiles dans les ondes radio collectées sur chaque site grâce à un processus appelé interférométrie. Ces petites différences sont utilisées pour déduire les minuscules différences dans la distance parcourue par chaque onde radio depuis sa source. À l’aide d’algorithmes informatiques, les scientifiques ont réussi à décoder les différences de longueur de trajet des ondes radio pour reconstruire la forme de l’objet qui les émettait.
Les chercheurs ont mis tout cela dans une image en fausses couleurs, où l’orange représente les ondes radio de haute intensité et le noir représente la faible intensité. “Mais chaque télescope ne capte qu’une infime fraction du signal radio”, explique Fulvio Méliaun astrophysicien de l’Université de l’Arizona qui a écrit sur notre galaxie un trou noir supermassif. Parce que nous manquons une grande partie du signal, “au lieu de voir une photo parfaitement claire, vous voyez quelque chose d’un peu brumeux… un peu flou.”
L’image permet d’en savoir plus sur l’horizon des événements du trou noir – le point le plus proche auquel tout ce qui peut s’approcher du trou noir sans être aspiré. Au-delà de l’horizon des événements, même la lumière ne peut s’échapper.
A partir de l’image, les scientifiques ont pu mieux estimer la taille de l’horizon des événements et en déduire que le disque d’accrétion est incliné de plus de 40 degrés par rapport au Le disque de la Voie lactéede sorte que nous voyons la face ronde du disque d’accrétion plat, plutôt que le mince ruban de son bord.
Mais même si le disque d’accrétion du trou noir était orienté par rapport à la Terre, la gravité autour du trou noir déforme tellement l’espace qui l’entoure que la lumière émise par l’arrière du trou noir serait courbée pour venir vers nous, faisant une image annulaire quelle que soit son orientation. Alors, comment les scientifiques connaissent-ils son orientation ? Parce que l’anneau est principalement rond; si nous regardions le disque d’accrétion par la tranche, alors l’anneau serait plus écrasé et oblong.
Markoff pense que cette nouvelle capacité à regarder au cœur de notre galaxie aidera à combler les lacunes dans notre compréhension de l’évolution des galaxies et de la structure à grande échelle de l’univers. Un objet dense et massif tel qu’un trou noir au centre d’une galaxie influence les mouvements des étoiles et de la poussière à proximité, et cela influence la façon dont la galaxie change au fil du temps. Propriétés du trou noir, telles que la direction dans laquelle il tourne, en fonction de l’historique de ses collisions – avec des étoiles ou d’autres trous noirs, peut-être. «Beaucoup de gens… regardent le ciel et pensent que tout est statique, n’est-ce pas? Mais ce n’est pas. C’est un vaste écosystème de choses qui évolue », déclare Markoff.
Jusqu’à présent, le fait que l’image corresponde si précisément aux attentes des scientifiques en fait une confirmation importante des théories actuelles de la physique. “Cela a été une prédiction que nous avons eue pendant deux décennies,” dit Bower, “que nous verrions un anneau de cette ampleur. Mais, vous savez, voir c’est croire.
Cet article est initialement paru dans Magazine connaissable, une entreprise journalistique indépendante d’Annual Reviews. Inscrivez-vous pour le bulletin.
