L'instrument Gravity et son cryostat (la grosse cuve) qui refroidit le système optoélectronique pour améliorer ses performances. © Eso, Gravity Consortium

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Gravity : un nouvel instrument pour étudier les trous noirs

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La future machine à étudier les trous noirs a été testée avec succès. Gravity, le dernier-né des instruments du VLTI, au Chili, vient de produire en effet ses « premières lumières », comme disent les astronomes. Réalisant de l'interférométrie en infrarouge, il représente une avancée technique considérable. Le trou noir supermassif de la Voie lactée pourra grâce à lui être analysé comme jamais. Guy Perrin, astronome et vice-président de l'Observatoire de Paris, nous décrit cet instrument unique au monde.

Cette première lumière est « l'aboutissement d'un projet démarré en 2005, auquel participent plus de cent chercheurs, ingénieurs et techniciens, dont plus d'un quart issus d'équipes françaises » explique Guy Perrin, astronome et vice-président de l'Observatoire de Paris. Et l'investissement en vaut la chandelle car l'objectif qui a justifié sa réalisation, « c'est l'observation du trou noir supermassif, surnommé Sagittarius A* ou Sgr A*, qui occupe le cœur de la Voie lactée, notre galaxie ».

Cet instrument, financé par l'Eso, est installé dans le laboratoire du VLTI, c'est-à-dire du mode interférométrique du Very Large Telesope, au Chili. Cet observatoire comprend quatre grands télescopes de 8,2 m de diamètre (baptisés UT, pour Unit Telescopes) et quatre petits télescopes de 1,8 m (Auxiliary Telescopes, AT). Gravity est un interféromètre double dont le principe est de « combiner la lumière de quatre télescopes (soit les quatre UT, soit les quatre AT) pour obtenir une résolution égale à celle d'un miroir de diamètre équivalent à l'écart entre eux ». Autrement dit, il pourra simuler un télescope de 200 mètres de diamètre, non en luminosité, bien sûr, mais en résolution. Gravity fonctionnera en bande K, entre 2 et 2,5 microns. Cette longueur d'onde, le proche infrarouge, a été choisie, notamment, parce que Sagittarius A* est un objet très sombre, inobservable dans le domaine visible. « Seules quelques étoiles sont susceptibles d'êtres vues dans le visible mais aucune à proximité du trou noir. »

Gravity sera également utilisé pour observer d'autres sources comme « des noyaux actifs de galaxies, des disques et des jets autour d'étoiles en formation ou au sein de microquasars, des trous noirs de masses intermédiaires au cœur des amas globulaires et des planètes extrasolaires ».

La grande image est celle de l'amas du Trapèze, dans la célèbre nébuleuse d'Orion, vu à travers le VLT par le spectromètre imageur Isaac. Les deux encarts sont les détails que permet de distinguer l'instrument Gravity. À gauche, Theta 1 F apparaît comme une étoile double, ce qu'aucun instrument n'avait remarqué jusqu'à présent. À droite, les deux astres du système Theta 1 C apparaissent très nettement séparés. © ESO, Gravity consortium, Nasa, ESA, M. McCaughrean

Le trou noir de notre Galaxie étudié de très près

Pour améliorer nos connaissances du trou noir au cœur de notre galaxie, les astronomes vont utiliser Gravity pour en étudier la banlieue, à proximité de son horizon. Deux types d'observations seront menées. « D'abord, les étoiles les plus proches possible du trou noir en imagerie interférométrique infrarouge pour déterminer ses caractéristiques ». La seconde voie sera l'astrométrie, c'est-à-dire l'étude précise de la position et du mouvement des étoiles afin de surprendre des épisodes de sursauts, pour « à la fois étudier sa métrique et aussi la relativité générale en champ très fort ». Ce sont ces deux objectifs qui ont conduit au dimensionnement de Gravity.

L'intérêt d'observer les étoiles les plus proches de Sgr A* « est de mieux contraindre la masse du trou noir en s'appuyant sur l'orbite de ces étoiles ». Certes, NaCo, un des instruments du VLT, permet de le faire mais « Gravity a une résolution bien meilleure, de 4 millisecondes d'arc contre 60 ! » On s'attend donc à découvrir des étoiles encore plus proches qu'à l'aide du VLT, de sorte que « l'on devrait mesurer des effets relativistes sur les orbites, jusqu'ici indétectables ». De ces effets, il sera par la suite possible de déduire les caractéristiques de Sgr A*, « comme son taux de rotation et sa masse qui sont, si la théorie est exacte, deux des trois paramètres qui animent un trou noir. Le troisième étant sa charge électrique, que l'on suppose nulle si l'on se fie à la théorie. In fine, cela nous amènera à connaître la métrique de l'espace-temps du trou noir ». En mesurant la position de ces étoiles avec une très grande précision, Gravity va permettre de « se faire une meilleure idée du volume dans lequel se concentre la masse  de Sgr A*, équivalente à 4 millions de fois celle de notre Soleil ».

L'astrométrie de Gravity va « nous permettre d'atteindre ces échelles de quelques dizaines de microsecondes d'arc, et donc d'observer des phénomènes d'accrétion et de  jets de matière qui se produisent à proximité du trou noir ». Gravity ne fera évidemment pas d'image de Sagittarus A*. L'instrument aura la capacité de faire de « l'astrométrie avec une résolution de 10 microsecondes et donc de voir l'évolution autour du trou noir, la matière chauffée qui se manifeste par ses sursauts ». Et ce d'autant plus facilement que le rayon de Sagittarius A* vu depuis la Terre est « d'environ 53 microsecondes d'arc à cause de la courbure des rayons lumineux provoquée par le trou noir, ce qui produit un effet de loupe sur lui-même. Le diamètre physique du trou noir n'est que de 20 microsecondes d'arc ».

Gravity est mille fois plus précis que les autres instruments du VLTI

Pour atteindre cette précision, il est « nécessaire de faire des franges d'interférences sur deux champs simultanés (Sgr A* et une source de référence), de les relier par une métrologie très précise et de connaître de façon tout aussi précise la distance entre les paquets de franges mesurés sur le trou noir et sur l'étoile de référence située à proximité ». Autrement dit, il faut une « précision de quelques nanomètres sur cette distance et ce malgré les effets de la turbulence atmosphérique et les erreurs internes de l'instrument ».

De plus, comme Sagittarus A* est un objet très rouge, on a besoin d'une optique adaptative à analyse de front d'onde dans l'infrarouge. Cela explique pourquoi Gravity est un instrument très complexe à réaliser. « Il est mille fois plus précis et sensible que tous les autres instruments du VLTI ! » Ses performances seront bien meilleures que les instruments similaires précédemment réalisés.

C'est d'ailleurs ce que confirment les premières lumières de Gravity qui a combiné la lumière des quatre petits télescopes de 1,8 m du VLT obtenant un miroir virtuel de 130 m de diamètre. « Elles montrent que l'instrument fonctionne conformément à nos attentes, voire beaucoup mieux pour certaines spécifications, et qu'il est capable de faire des images dans chaque longueur d'onde de l'instrument. Il a également démontré la possibilité, pour la première fois dans l'histoire de l'interférométrie astronomique, de réaliser des poses de plusieurs minutes, soit plus de cent fois plus longues que ce que l'on savait faire jusqu'à présent. »

En raison de sa complexité, sa mise en service va durer au moins un an. Cependant, l'instrument pourra être utilisé dès octobre 2016 dans un mode simplifié, en double champ sans astrométrie. « L'instrument sera totalement opérationnel, avec tous ses modes, à partir d'avril 2017 et les premières observations de Sagittarius A* sont prévues dans le courant du premier semestre 2017. »