Pas moins de 25.000 trous noirs supermassifs sont épinglés sur ce relevé d'une partie du ciel boréal. © Lofar, LOL Survey
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25.000 trous noirs supermassifs révélés sur une carte d'une partie du ciel !

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[EN VIDÉO] Que se passerait-il si vous tombiez dans un trou noir ?  Les profondeurs des trous noirs sont des espaces de mystère et de fantasme, mais cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas les approcher de manière scientifique. Voyageons donc ensemble aux frontières de la réalité telle que nous la connaissons. 

Tout comme les exoplanètes, les trous noirs deviennent des objets d'observation courants pour les astronomes en cette fin du premier quart du XXIe siècle. On peut s'en convaincre avec le début de la réalisation d'une carte montrant déjà 25.000 trous noirs supermassifs sur une portion de la voûte céleste. Elle provient d'images réalisées à partir d'observations à basse fréquence du radiotélescope géant Lofar (LOw Frequency ARray).

Le contraste est saisissant... En 1939, Einstein publie un article dans la revue Annals of Mathematics portant le titre « On a Stationary System with Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses ». Pour lui, c'est l'acte de décès de l'existence des trous noirs. Pour nous, en 2021, ils sont partout, dans les galaxies, dans les amas globulaires et probablement aussi dans l'infiniment petit sous forme de trous noirs virtuels existant transitoirement dans l’écume de l’espace-temps. Nous observons les ondes gravitationnelles qu'ils émettent lors de collision et nous imageons même directement ce qui définit un trou noir, la présence d'un horizon des événements entourant une région finie de l'espace.

Jusqu'à la fin des années 1950, la majorité des physiciens et des astronomes pensent qu'Einstein a raison mais sans en avoir la preuve. Et pourtant, seulement quelques mois après la publication de l'article d'Einstein, et sans le dire explicitement, Robert Oppenheimer pulvérise l'argumentation d'Einstein dans un article, « On Continued Gravitational Contraction », écrit en collaboration avec un de ses étudiants de l'époque, Hartland Snyder. Il complétait un autre article publié en début d'année avec Georges Volkoff, « On Massive Neutron Cores », les deux publications posant le socle sur lequel les théories des étoiles à neutrons et celle de leur effondrement gravitationnel conduisant à la formation d'un trou noir seront construites au début des années 1960.

À ce moment-là, les progrès de l'astrophysique nucléaire et le renouveau de la relativité générale, entraîné par la découverte des quasars et du rayonnement fossile, vont précipiter l'entrée dans le domaine de l'astrophysique relativiste. Et le problème de la détermination de l'état final de la matière dans le cas d'une étoile en fin de vie ayant épuisé son carburant nucléaire se posera alors avec plus d'acuité et d'urgence. Mélangeant relativité générale, thermodynamique et physique nucléaire, le plus important ouvrage traitant de ces questions à la fin des années 1960 est probablement celui de Harrison, Thorne, Wakano, et Wheeler : « Gravitation Theory and Gravitational Collapse », publié en 1965. La même année, le prix Nobel de physique Roger Penrose allait publier son théorème sur les singularités, plantant le dernier clou dans le cercueil des idées développées par Einstein dans son article de 1939.

Une présentation de Lofar. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © WebsEdgeEducation

Lofar et les trous noirs supermassifs

Nous l'avons dit, pour la noosphère du XXIe siècle, les trous noirs sont partout en astronomie et ils peuvent être supermassifs, contenant des millions ou des milliards de masses solaires. Accrétant de la matière ils émettent indirectement des rayonnements que l'on peut détecter sur Terre dans le domaine des ondes électromagnétiques. Une équipe internationale d'astronomes annonce aujourd'hui qu'elle a même réussi à dresser une carte inédite sur la voûte céleste montrant 25.000 trous noirs supermassifs au cœur des galaxies. Comme l'explique l'article en accès libre sur arXivcet exploit a été rendu possible par la mise en service d'un des plus grands radiotélescopes jamais construit, en réalité un réseau de milliers de petits radiotélescopes baptisé Lofar (Low Frequency Array).

Ce radiotélescope est exploité par l'Institut néerlandais de radioastronomie (Astron) qui coordonne des prises de données par des instruments répartis en Europe. La partie française de Lofar étant, sans surprise, installée à Nançay, dans le Cher, au sein de la célèbre et ancienne station de radioastronomie de l'Observatoire de Paris (Observatoire de Paris - PSL/CNRS/Université d'Orléans). Astron utilise donc une technique de synthèse d'ouverture par interférométrie qui, dans le cas présent, permet de combiner les signaux des différentes antennes pour créer un radiotélescope géant virtuel, dont la taille peut atteindre l'équivalent de 15.000 terrains de football.

Cette carte du ciel montre 25.000 trous noirs supermassifs. Chaque point blanc est un trou noir supermassif dans sa propre galaxie. © Lofar, LOL Survey

Un communiqué de l'université de Leyde, la plus ancienne des universités néerlandaises, explique que la carte aujourd'hui publiée ne couvre pour le moment que 4 % de la voûte céleste que l'on peut contempler quand on se trouve dans l'hémisphère Nord. Il a fallu combiner les contributions de 52 stations Lofar totalisant 256 heures d'observation pour dresser cette carte qui a pour vocation de rendre compte à terme de tout le ciel nordique.

Le volume de données acquises a nécessité pour être traité d'avoir recours à des superordinateurs et tout comme dans le cas de bien des observations faites sur Terre, il a fallu utiliser des algorithmes de traitement du signal pour tenir compte des perturbations causées par l'atmosphère de notre Planète bleue, plus précisément dans le cas présent celles de son ionosphère.

Il s'agit d'un problème analogue à celui que l'on résout partiellement avec l'optique adaptative et qui dégrade, en raison de la turbulence de la troposphère notamment, les images prises par les télescopes car ne leur permettant pas d'atteindre leur résolution théorique issue de la théorie de la diffraction.

Dans le cas des ondes radio étudiées avec Lofar, le chercheur qui a dirigé les travaux menant à la carte des trous noirs supermassifs, Francesco de Gasperin, explique que la réussite de leur analyse : « est le résultat de nombreuses années de travail sur des données incroyablement difficiles à traiter. Nous avons dû inventer de nouvelles méthodes pour convertir les signaux radio en images du ciel ». Son collègue, Reinout van Weeren, donne une image simple du casse-tête qu'il a fallu résoudre pour tenir compte de l'ionosphère et de ses particules chargées qui se comporte comme une lentille trouble dont la réfringence serait fluctuante aussi bien dans le temps que dans l'espace : « c'est comme lorsque vous essayez de voir le monde tout en étant immergé dans une piscine. Lorsque vous levez les yeux, les vagues sur l'eau de la piscine dévient les rayons lumineux et déforment la vision ».

En bonus, la carte des trous noirs supermassifs est aussi une nouvelle carte des structures géantes rassemblant des galaxies et dont les cosmologistes essayent de comprendre l'origine et de les décoder.
 

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Pour en savoir plus

Le radiotélescope géant Lofar observe les jets des quasars

Article de Laurent Sacco publié le 11/02/2011

Chaque fois qu'une bande de fréquences du spectre électromagnétique s'est ouverte pour l'astronomie, il en a résulté un bon pour l'astrophysique et à la cosmologie. Une nouvelle fenêtre observationnelle s'ouvre aujourd'hui, comme le montrent les images hautes résolutions à basses fréquences du radiotélescope géant Lofar (LOw Frequency ARray).

C'est grâce à la mise au point des télescopes capables d'observer dans le domaine des rayons X et des rayons gamma, que l'on a pu découvrir les disques d'accrétions des trous noirs et les sursauts gamma (toujours quelque peu énigmatiques). Et c'est la mise en service des radiotélescopes qui a permis de découvrir les quasars. Le rayonnement fossile lui-même a pu être observé dans le domaine des microondes à l'aide de la radioastronomie. Dans l'infrarouge, les observations de Spitzer nous ont fourni des informations précieuses sur les disques protoplanétaires. Il restait toutefois une gamme de fréquences assez peu étudiée jusqu'à présent, en tout cas pas avec la résolution angulaire suffisante.

Pour pallier ce manque, plusieurs pays en Europe se sont associés pour développer un réseau d'antennes combinant des observations en basses fréquences (de 30 à 240 MHz) par la méthode bien connue de l'interférométrie. De cette façon, il est possible d'obtenir, avec un grand nombre d'antennes réparties sur un large territoire, l'équivalent d'un radiotélescope géant pouvant atteindre, par exemple, la centaine de kilomètres de diamètre.

Ce réseau a finalement vu le jour : il s'agit d'un groupe d'antennes, nommé Lofar (LOw Frequency ARray pour réseau à basses fréquences), aux Pays-Bas, en Allemagne, au Royaume-Uni et en France, avec pour notre pays la station de radioastronomie de Nançay. Il permet d'obtenir aujourd'hui  des images à haute résolution des extrémités du jet issu du noyau du quasar 3C196, situé à environ 7 milliards d'années-lumière de la Terre (il existe une belle vidéo en anglais sur ce radiotélescope s'étendant maintenant sur 1.000 kilomètres environ).

Le champ large montré ci-dessus se trouve autour du quasar 3C196 (tache brillante au centre) et c'est une portion du ciel équivalente à 1.000 fois la Pleine Lune. On voit clairement d'autres objets astrophysiques autour de 3C196. © Insu-Multi-national Lofar commissioning teams led by Olaf Wucknitz (Argelander Institut für Astronomie, University of Bonn, Germany) and Reinout van Weeren (Leiden Observatory, University of Leiden)
À gauche : l'image radio prise avec les seules antennes du cœur de Lofar aux Pays-Bas. La résolution est de 11 secondes d’arc, représentée par le grand cercle vert. Le plus petit détail discernable mesurant 265.000 années-lumière de diamètre, 3C196 apparaît comme une source étendue sans sous-structures. L'image de droite a été obtenue avec l'appoint des stations Lofar en Europe. Elle couvre le même champ que celle de gauche mais, cette fois, la résolution est de 0,3 seconde d’arc, représentée par le tout petit cercle vert en haut à droite du cliché. Le plus petit détail mesurable est de 7.200 années-lumière, ce qui permet d'observer les deux extrémités du jet issu du trou noir supermassif au centre du quasar. © Insu-Multi-national Lofar commissioning teams led by Olaf Wucknitz (Argelander Institut für Astronomie, University of Bonn, Germany) and Reinout van Weeren (Leiden Observatory, University of Leiden)

Lofar et le programme d'observations

Lofar est un instrument qui va permettre d'entreprendre un programme d'observations ambitieux et très diversifié. Plusieurs thèmes de travail sont prévus, dont cinq principaux.

Il existe un domaine de recherche moins académique qu'il est possible d'explorer avec Lofar. L'équation de Drake a cinquante ans cette année et si le programme Seti n'a toujours rien donné, c'est peut-être parce que nous observons aux mauvaises longueurs d'onde. Les basses fréquences sont employées sur Terre pour des applications militaires et civiles. Si des E.T. existent pas trop loin de la Terre et font de même actuellement, il se pourrait que Lofar nous le dise.

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