Illustration artistique, dans les ondes radio millimétriques, de l'horizon du trou noir au centre de notre galaxie, la Voie lactée. © M. Moscibrodzka, T. Bronzwaar et H. Falcke, Radboud Univ.

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Inédit : bientôt une première photo du trou noir de notre Galaxie !

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Par Rémy Decourt, Futura

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L'EHT (Event Horizon Telescope) va acquérir une première image du trou noir de notre galaxie, la Voie lactée. Comment ? En utilisant un réseau de radiotélescopes répartis sur la planète pour former un télescope virtuel de quelque 10.000 kilomètres de diamètre. Les explications de Michael Bremer, astronome et responsable Iram du projet EHT.

  • En associant les instruments de sept observatoires répartis sur les deux hémisphères, le projet EHT crée un télescope virtuel d'environ 5.000 kilomètres de diamètre.
  • Il sera utilisé, tout d'abord, pour obtenir une image du trou noir au centre de notre galaxie. Pour être réalisée, elle nécessitera plusieurs mois de traitement.
  • C’est en fait l'horizon du trou noir qui sera vu, dans le domaine submillimétrique.

Alors qu'il semblait impossible d'observer le trou noir au centre de la Voie lactée, une équipe internationale d'astronomes, dont des Français, parie le contraire. Depuis quelques jours, ils observent Sagittarius A*, le trou noir supermassif de notre galaxie, situé à 26.000 années-lumière de nous. Pour observer cet objet d'une taille estimée à 25 millions de kilomètres et quatre millions de fois plus massif que le Soleil, nos astronomes utilisent l'EHT (Event Horizon Telescope).

L'instrument, pourtant, n'existe pas vraiment... Il est virtuel, associant des observatoires et des télescopes du monde entier, de l'Europe jusqu'à l'Antarctique, en passant par le Chili et Hawaï. Nous avions expliqué son fonctionnement dans un précédent article.

Comme nous le précise Michael Bremer, astronome à l'Institut de radio astronomie millimétrique (Iram) et responsable français de l'EHT, « c'est la première fois dans l'histoire de l'astronomie que nous avons les bases technologiques pour observer des trous noirs en détail ». D'une part avec l'interférométrie à très longue base (VLBI), qui nous « permet de relier tous ces observatoires grâce à des horloges atomiques ultraprécises synchronisées avec une précision d'environ 10-13 ». Au lieu de construire un télescope gigantesque, on combine ainsi « plusieurs observatoires qui fonctionnent dans le millimétrique comme s'ils étaient des petits fragments d'un miroir géant ». Résultat : « un télescope virtuel de quelque 10.000 kilomètres de diamètre ».

Le projet Event Horizon Telescope (EHT) associe des télescopes des deux hémipshères, jusqu'à l'Antarctique. © Iram

La connaissance des trous noirs va s’améliorer

D'autre part, avec une résolution angulaire maximale de « 26 microsecondes d'arc à 228 GHz et de 17 microsecondes d'arc à 342 GHz (une fréquence d'observation qu'on cible dans les années à venir) », l'EHT peut « regarder plus profondément dans l'écran de plasma chaud qui entoure les trous noirs ». Aucune autre technique d'observation ne peut obtenir des détails aussi fins de l'horizon des trous noirs, à travers ce gaz chaud. Cette résolution revient à distinguer « une balle de golf sur la Lune, ou l'épaisseur d'un cheveu à 500 km ». Petite contrainte, ces fréquences millimétriques sont absorbées en partie par l'humidité dans l'atmosphère terrestre, il convient donc de « les observer à partir des sommets de montagne et des régions au climat sec ».

Pour le VLBI haute fréquence, l'Iram (en collaboration avec l'Institut Max Planck de Radioastronomie, à Bonn) a joué un rôle de pionnier, car « nos instruments du plateau de Bure et au Pico Veleta ont participé aux premières campagnes d'observations à 1 mm et 2 mm de longueur d'onde ». En mars 1995, à 215 GHz (soit 1,4 mm) entre le Pico Veleta et le plateau de Bure, et en mars et avril 2001 à 147 GHz (environ 2 mm) entre le Pico Veleta, Metsähovi et le SEST (résultats publiés dans la revue A&A n° 323 et 390).

Quant à la photo attendue de Sagittarius A*, cette observation dans le domaine millimétrique et l'utilisation de l'interférométrie à très longue base permettront « de résoudre le rayon de Schwarzschild de ces objets ». La relativité générale nous dit que le trou noir est invisible puisque la lumière ne peut pas s'échapper de son attraction. En revanche, sa frontière pourra être visible.

Cette photo du trou noir de la Galaxie n'est pas le seul objectif de ce télescope virtuel. Avec EHT, l'équipe d'astronomes, coordonnée par le Haystack Observatory (MIT), espère observer des objets très éloignés et très lumineux dans le domaine des ondes submillimétriques et appliquer cette technique d'observation à d'autres galaxies de notre voisinage connues pour abriter des trous noirs bien plus massifs que Sagittarius A*.

Pour en savoir plus

Zoom sur le trou noir de notre galaxie

Article de Laurent Sacco publié le 14 décembre 2008

En 2002, un groupe d'astronomes allemands annonçait avoir démontré qu'un trou noir supermassif existait au cœur de la Voie lactée après avoir suivi pendant dix ans les mouvements de certaines étoiles. Les chercheurs ont encore renforcé leur conclusion. Le dénommé Sagittarius A* est désormais le mieux connu des trous noirs galactiques et devrait bientôt devenir un extraordinaire laboratoire pour tester des effets fins de la relativité générale.

Les chercheurs du Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics de Garching près de Munich ont été patients. Pendant seize années, ils ont utilisé les puissants moyens d'observation dans le domaine infrarouge des télescopes de l'ESO au Chili, notamment depuis 2002 les instruments équipant le Very Large Telescope (VLT). A ces longueurs d'onde, les nuages de gaz et de poussières cachant le centre de la Voie lactée sont transparents et il devient possible d'observer un groupe de 28 étoiles dont l'une, baptisée S2, vient de boucler une orbite complète autour d'une zone centrale que n'occupe apparemment aucune autre étoile.

Les éléments orbitaux de ces étoiles, comme leurs périodes de révolution sur des orbites elliptiques et leurs demi-grands axes ont été mesurés précisément au cours de l'équivalent de 50 nuits d'observations. Il s'agit bien d'orbites képlériennes. Il est donc possible d'en déduire la masse de l'objet autour duquel elles gravitent.

Image du centre de la Voie lactée dans l'infrarouge proche (bande K) à la limite de diffraction (60 milli-arcsecondes) d'un champ de 18 x 15 secondes d'arc autour du centre de notre Galaxie (flèches), obtenue avec l'instrument d'optique adaptative NAOS/Conica sur le 4ème télescope UT4 (Yepun) du VLT le 3 mai 2002. Les positions radio de 7 étoiles à émissions maser SiO ont servi à aligner les images radio et infrarouges à 10 milli-arcsecondes près. Crédit : OBSPM

Un cas d'école pour la mécanique céleste

Cette masse est désormais connue avec précision et représente 4,31 millions de masses solaires. Les raffinements dans les mesures, en particulier à l'aide de radiotélescopes ont montré que cette masse est contenue dans un volume dont le diamètre est inférieur à la distance de Mercure au Soleil.

Seul un trou noir supermassif présent au centre de la Voie lactée peut expliquer ces observations. Aucun objet astrophysique proposé par les théoriciens ne peut en rendre compte, hormis cette prédiction des équations de la relativité générale d'Einstein, caractérisée par un horizon des événements qui agit comme une membrane que l'on ne peut traverser que dans un seul sens. 

On sait que de nombreuses galaxies doivent posséder un trou noir central dont la masse peut même dépasser le milliard de masses solaires. De nos jours on peut même dire que ces objets, autrefois mythiques et dont l'existence et l'importance ont été défendues dès la fin des années 1960 par John Wheeler devant une communauté astrophysique sceptique, sont désormais omniprésents dans l'Univers.

Orbite de l'étoile S2 (ellipse en noir) autour du centre galactique, c'est-à-dire de Sagittarius A* (cercle en noir). La partie entourée de rouge est celle obtenue à partir des observations NAOS/Conica. Crédit : OBSPM

Comme l'explique Reinhard Genzel, à la tête de l'équipe ayant étudié les étoiles autour de  Sagittarius A*, le centre de la Galaxie est un laboratoire unique pour comprendre la mécanique céleste et la formation des étoiles dans les noyaux de galaxies en présence d'un champ gravitationnel intense.

Son collègue Stefan Gillessen ajoute d'ailleurs que c'est le plus proche trou noir galactique et, en raison de sa taille, il est le meilleur laboratoire pour étudier la physique des trous noirs.

Comme sous-produit de ces études, les astronomes peuvent maintenant localiser le centre de la Voie lactée avec plus de précision. Il est situé à 8,33 ± 0,35 kpc (kiloparsecs), soit environ 27.000 années-lumière. En outre, on sait aussi que la masse totale mesurée dans la région occupée par Sagittarius A* est bien celle du trou noir, à 95%. Cette observation pose des bornes pour la présence de la matière noire, dont on pense qu'elle doit être plus abondante dans le noyau d'une galaxie que dans le disque, ou le halo pour une spirale.

Selon les chercheurs, le plus beau est encore à venir, grâce notamment à Gravity. Le VLT devrait alors bénéficier des techniques d'interférométrie pour étudier d'encore plus près le trou noir central. Un gain d'un facteur 10 à 100 dans la résolution devrait être atteint, ce qui permettra de se rapprocher considérablement de l'horizon du trou noir central et de réaliser d'autres tests fins des prédictions de la relativité générale. Pour célébrer ce travail remarquable, l'ESO lui consacre son deuxième vidéocast, l'ESOcast.

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