Voici la première image de Sgr A*, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie, avec un fond noir ajouté pour s'adapter à des écrans plus larges. Il s'agit de la première preuve visuelle directe de la présence de ce trou noir. Elle a été obtenue par l'Event Horizon Telescope (EHT), un réseau qui relie huit observatoires radio existants sur la Planète pour former un seul télescope virtuel de la taille de la Terre. Le télescope porte le nom de l'horizon des événements, la limite du trou noir au-delà de laquelle aucune lumière ne peut s'échapper. © EHT Collaboration
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L'image du trou noir géant de la Voie lactée commentée par Françoise Combes

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Françoise Combes  2021 c'est l'année des 20 ans de Futura ! À cette grande occasion, nous avons demandé à nos parrains de s'exprimer sur le sujet... Françoise Combes s'est notamment prêtée à l'exercice et nous livre son analyse d'astrophysicienne sur le passé, mais aussi sur les 20 prochaines années. 

Les membres de la collaboration Event Horizon Telescope ont réussi un exploit historique prometteur pour mieux comprendre la physique de la gravitation et le monde des galaxies. Il s'agit de l'obtention avec des radiotélescopes de la première image de ce qui semble bien être un trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée, Sagittarius A* (SgrA*). Spécialiste mondiale des galaxies et étudiant leurs trous noirs supermassif, Françoise Combes commente cette découverte pour Futura.

La théorie de la relativité générale d’Einstein a été formulée il y a un peu plus de 100 ans maintenant. Mais, des années 1920 aux années 1950, elle ne va connaitre de développements significatifs qu'entre les mains d'une poignée de physiciens et d'astronomes explorant, tel Georges Lemaître, les implications des équations relativistes de la gravitation en cosmologie, et tel Einstein cherchant à généraliser sa théorie pour y incorporer la force électromagnétique et en déduire les propriétés des particules élémentaires alors connues. Tentatives vaines sur ces derniers points si bien que la majorité des physiciens et des astrophysiciens de l'époque vont surtout s'occuper de développer les conséquences de la découverte par Heisenberg et Schrödinger des équations de la mécanique quantique dans les domaines de la physique atomique et nucléaire et de créer la théorie quantique et relativiste des champs qui y est impliquée.

Mais, incontestablement, comme aimait à le rappeler le prix Nobel de Physique Subrahmanyan Chandrasekhar, « la théorie de la relativité générale est une théorie de la gravitation et comme la théorie newtonienne de la gravitation, qu'elle affine et élargit, son foyer naturel est l'astronomie », de sorte qu'elle va connaitre une renaissance à partir des années 1960 avec la découverte des quasars, du rayonnement fossile du Big Bang et enfin, des pulsars.

Jean-Pierre Luminet, directeur de recherche au CNRS, et Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parlent des trous noirs, notamment des grands trous noirs supermassifs des galaxies qui sont derrière les quasars et qui impactent l'évolution des galaxies. © Fondation Hugot du Collège de France

C'est à partir de ces années, et surtout pendant les années 1970, que l'on va développer intensivement la physique des trous noirs, des ondes gravitationnelles et explorer aussi des alternatives à la théorie de la gravitation d'Einstein qui, tout en supposant qu'il existe le même espace-temps courbe, vont postuler des équations différentes de celles d'Einstein (On va les tester au cours de ces années dans le Système solaire et avec des pulsars binaires). Les trous noirs vont alors devenir, dans ce cadre, des laboratoires théoriques permettant de tester aussi bien les conséquences les plus fondamentales de la physique d'Einstein des espaces-temps fortement courbés que celle de ces alternatives. On va réaliser de plus en plus qu'ils sont aussi la clé du comportement des noyaux actifs de galaxies et qu'ils influencent fortement l'évolution de ces dernières. On va réaliser également que les trous noirs doivent contenir les clés d'une théorie quantique de la gravitation, clé probable à son tour de la naissance de l'Univers, de la matière qu'il contient et de l'apparition des galaxies et des grandes structures qui les rassemblent.

Il se trouve que nous pensons avoir la chance d'avoir un trou noir à notre disposition pour étudier via des observations cette fois-ci toutes ces questions dans notre Voie lactée et il est supermassif, comme au cœur de quasiment toutes les autres grandes galaxies, qu'elles soient spirales ou elliptiques principalement. Nous l'avons découvert initialement sans le savoir sous la forme d'une source radio intense dans la constellation du Sagittaire. On le désigne sous le nom de Sagittarius A* (SgrA*) et il est situé à environ 27.000 années-lumière du Système solaire.

Du VLTI à l'EHT

Pendant des décennies, les progrès de son étude vont se faire essentiellement en étudiant les mouvements de certaines étoiles proches autour de Sagittarius A*. Ces mouvements combinés à d'autres observations à diverses longueurs d'ondes indiquent qu'il existe un objet très compact qui ne rayonne pas comme une étoile et se comporte donc à bien des égards comme un véritable trou noir du point de vue astrophysique. Les études sur ces mouvements ont été conduites essentiellement par les Prix Nobel de physique Reinhard Genzel et Andrea Ghez et elles ont montré que l'objet compact révélé possédait une masse d'un peu plus de 4 millions de fois celle du Soleil.

S'il s'agit bien d'un trou noir, ce qui implique qu'il possède un horizon des événements qui définit une sorte de membrane fermée que l'on ne peut traverser que dans un seul sens -- car il faudrait dépasser la vitesse de la lumière pour en sortir --, on ne sait pas encore très bien s'il est décrit par la solution des équations d'Einstein pour un trou noir sans rotation, la fameuse solution de Schwarzschild, ou en rotation comme on le pense, ce qui implique que l'espace-temps est celui de la solution dite de Kerr.

Ce zoom commence par une vue générale de la Voie lactée. Nous plongeons ensuite dans la région centrale poussiéreuse pour l'observer de plus près. Là, un essaim d'étoiles gravite autour d'un objet invisible : un trou noir supermassif, contenant environ 4,3 millions de fois plus de masse que le Soleil. En s'en rapprochant, on voit ces étoiles, observées par l'instrument Naco sur le Very Large Telescope de l'ESO (la dernière observation datant de 2019). En zoomant davantage, nous voyons des étoiles encore plus proches du trou noir, observées par l'instrument Gravity sur le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) de l'ESO à la mi-2021. © ESO/Gravity collaboration/L. Calçada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS. Musique : Johan Mone

L'un des outils de la noosphère pour répondre à ces questions est l'Event Horizon Telescope (EHT) qui est une combinaison virtuelle de plusieurs radiotélescopes sur notre Planète bleue et qui a en fait une taille équivalente, ce qui le dote d'un pouvoir de résolution qui permettrait d'observer avec son équivalent dans le visible un donut à la surface de la Lune.

Ce 12 mai 2022, les membres de la collaboration EHT ont révélé la première image de Sagittarius A* qui montre en partie un disque de plasma chaud indiquant que de la matière est accrétée. La limite de ce disque correspond à la distance la plus proche permettant à des photons de rester en orbite autour du trou noir et donc, la limite en deçà de laquelle tout tombe sans espoir de retour en direction de l'horizon des événements du trou noir.

On parle à ce sujet de « la sphère des photons » et c'est en partie elle que l'on voit sur l'image en fausses couleurs et qui est brillante.

Sa forme et sa taille exacte dépendent de la théorie de la gravitation utilisée et de la nature de l'astre compact qui est ou imite un trou noir classique.

La région centrale apparait donc comme sombre car le trou noir lui-même n'est pas censé émettre de rayonnement mesurable -- pas même de rayonnement Hawking car sa température serait plus basse que celle du rayonnement fossile actuel, de sorte que le trou noir se comporte comme un objet qui est plus froid. Elle a inspiré ce que l'on appelle l'ombre d'un trou noir.

Les caractéristiques de l'image obtenue sont une mine d'informations sur la physique des trous noirs, ou des astres qui pourraient les imiter, ainsi que sur la physique de l'accrétion de la matière faisant intervenir la magnétohydrodynamique relativiste en espace-temps courbe et qui gouverne l'origine du rayonnement des quasars et la croissance conjointe des galaxies et des trous noirs supermassifs qui sont présents en leur cœur.

Jean-Pierre Luminet a été le premier à calculer en 1979 sur ordinateur l'aspect d'un trou noir accrétant de la matière et dans un précédent article de Futura, il avait commenté les résultats aujourd'hui publiés dans plusieurs articles concernant l'image de Sagittarius A*. Françoise Combes, professeur au Collège de France, l’une des experts mondiaux des galaxies, travaille également sur l'astrophysique des trous noirs supermassifs ; elle intervient également avec Jean-Pierre Luminet dans la vidéo d'explication générale en introduction de cet article sur la physique et l'astrophysique des trous noirs. Nous lui avons donc demandé tout naturellement de commenter elle aussi les résultats spectaculaires de l'EHT.

Voici ses réflexions

L'image du trou noir de Sgr A* qu'a publiée la collaboration EHT jeudi 12 Mai dernier, après cinq années de calculs et d'analyses, nous renseigne beaucoup sur la masse et le spin du trou noir de notre Galaxie, la Voie lactée. La masse se trouve en excellent accord avec celle obtenue par le mouvement képlérien des orbites stellaires au voisinage, qui ont été étudiées par les équipes de Reinhard Genzel et Andrea Ghez (prix Nobel 2020).

L'image apporte la taille de l'anneau de lumière, qui se trouve à 26 micro-arcseconde en rayon, soit 0,2 UA, ou bien 1,6 minute-lumière.  Or le rayon de l'horizon, pour un trou noir de 4 millions de masses solaires, vaut Rh=0,08 UA. Nous savons d'autre part que le rayon de l'ombre d'un trou noir, Rombre= 2,5 Rh, soit ici 0,2 UA exactement ! Bien sûr, il y a des barres d'erreur, puisque la résolution angulaire floute les images.

Une plongée en fausses couleurs dans le domaine des ondes radios observées par l'EHT à travers notre Voie lactée jusqu'au trou noir supermassif central au coeur du bulbe quasi-sphérique de la Voie lactée. Rappelons que les étoiles de notre Galaxie ne sont PAS en orbite autour de ce trou noir comme le sont les planètes autour du Soleil en raison de sa force gravitationnelle. Françoise Combes donne à ce sujet les explications suivantes. « L'influence du bulbe progressivement dilue l'influence gravitationnelle du trou noir. Avec ses 4 millions de masses solaires, il a une sphère d'influence gravitationnelle relativement petite autour de lui; dès que la masse stellaire du bulbe dépasse cette valeur, soit à partir de 30-40 années-lumière environ, son influence devient négligeable, bien que toute la matière de la Voie lactée tourne autour de ce centre ». On voit dans la vidéo que le disque galactique contient des structures filamenteuses où la matière rayonne particulièrement dans le domaine radio. © Radboud University

Les deux images des trous noirs de M87 et de SgrA* se ressemblent beaucoup. Une des différences est l'apparence de trois grains de lumière dans l'anneau de SgrA*, alors que celui de M87 est plus continu, ou se sépare seulement en deux. De même, l'ombre centrale paraît moins ronde pour SgrA*, sans doute est-ce dû au grand nombre d'images qui ont dû être intégrées ensemble pendant les heures d'observations, alors que l'émission varie très vite entre 4-30 minutes autour du trou noir de notre Galaxie.

Comparaison de la taille des deux trous noirs imagés par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) : M87*, au cœur de la galaxie Messier 87, et Sagittarius A* (Sgr A*), au centre de la Voie lactée. L'image montre l'échelle de Sgr A* par rapport à M87* et à d'autres éléments du Système solaire tels que les orbites de Pluton et de Mercure. Le diamètre du Soleil et la position actuelle de la sonde spatiale Voyager 1, le vaisseau spatial le plus éloigné de la Terre, sont également affichés. M87*, qui se trouve à 55 millions d'années-lumière, est l'un des plus grands trous noirs connus. Alors que Sgr A*, situé à 27.000 années-lumière, a une masse d'environ quatre millions de fois celle du Soleil, M87* pèse 1.500 fois ce chiffre. En raison de leur distance relative à la Terre, les deux trous noirs semblent avoir la même taille dans le ciel. © EHT collaboration (Lia Medeiros, xkcd)

Des milliers de simulations ont été faites, et le gaz ionisé tourne rapidement autour du trou noir, forme comme des bras spiraux, qui deviennent plus brillants à leur tangence avec l'anneau lumineux, où la lumière est amplifiée par lentille gravitationnelle forte. Ce sont ces points brillants qui sont intégrés au cours du temps, et qui donnent la structure de l'anneau.

Cette vidéo montrant dans plusieurs fréquences radio ce que pourrait voir à 360° un observateur en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée, entraîné par le flot de plasma de son disque d’accrétion. La simulation numérique a été réalisée avec des codes calculant la trajectoire des rayons lumineux courbés par le champ de gravitation du trou noir. Les décalages spectraux dus à ce champ — notamment par effet Doppler en raison des mouvements de la matière du plasma émettant de la lumière dans le domaine radio — sont scrupuleusement pris en compte. La simulation réalisée exhibe donc l'aspect du plasma tourbillonnant autour du trou noir supermassif de notre Galaxie et elle commence par la vue d'un observateur autour de ce trou noir et l'effet de lentille gravitationnelle qu'il provoque sur le fond d'étoiles. Le temps est bien sûr accéléré. Les effets relativistes sur les mouvements du plasma, techniquement, des calculs de magnétohydrodynamique relativiste pour décrire la matière chaude et ionisée dans le disque d’accrétion en espace-temps courbe du trou noir de Kerr en rotation derrière Sagittarius A*, ont aussi été pris en compte. © J. Davelaar, T. Bronzwaer, D. Kok, Z. Younsi, M. Moscibrodzka, & H. Falcke BlackHoleCam, Radboud University Nijmegen, Goethe University Frankfurt

Le fait qu'une partie de l'anneau est plus sombre provient de l'effet Doppler relativiste qui booste la lumière qui vient vers nous. Apparemment, le disque autour de SgrA* serait vu plus de face que celui de M87, car l'asymétrie de l'anneau est moins marquée.

Le disque de gaz peut s'approcher plus près du trou noir, si celui-ci a un spin, qui tourne dans le même sens que le disque de gaz, ce qui semble être le cas pour SgrA*, mais bien sûr avec une incertitude, vu les limites de la résolution angulaire.

Le spin du trou noir serait environ égal à la moitié du maximum possible (a=0.5). Ceci est obtenu avec une grande quantité de simulations, en faisant varier inclinaison, spin, et aussi nature du disque d'accrétion, et de son champ magnétique.

Comme pour M87, un disque MAD (Magnetically Arrested Disk) ou bien plus normal (Sane : Standard And Normal Evolution), ont été simulés, et les prédictions ont été comparées aux observations. Les meilleurs modèles sont des MAD, avec a=0,5, et une inclinaison inférieure à 30°, qui correspond aussi à l’inclinaison trouvée par Gravity, au VLTI.

© Kazunori Akiyama et al., 2022 ApJL 930 L16
© Kazunori Akiyama et al., 2022 ApJL 930 L16

Il y a toutefois des échecs dans les simulations qui n'arrivent pas à tout expliquer, et dans le futur, ces observations pourront donc contraindre les modèles, et nous apporter plus d'informations, sur le refroidissement du gaz, le champ magnétique, etc.. Il sera aussi possible de détecter un jet, par comparaison avec des images à plus basse fréquence, comme ci-dessus.

Des tests ont aussi été effectués avec des théories alternatives, où il n'y aurait pas d'horizon, mais toutes sont en échec, ce qui confirme le modèle de relativité générale, et la métrique de Kerr autour d’un trou noir en rotation.

Françoise Combes, professeur au Collège de France, nous parle plus en détails des trous noirs supermassifs. © École normale supérieure, PSL

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