Cette vue artiste montre à quoi devait ressembler le lointain quasar P172+18 et ses jets radio. À ce jour (début 2021), c'est le quasar le plus lointain avec des jets radio jamais trouvé. Il a été étudié grâce au Very Large Telescope de l'ESO. Il est si éloigné que la lumière qui en provient a voyagé pendant environ 13 milliards d'années pour nous atteindre : nous le voyons tel qu'il était lorsque l'Univers n'avait que 780 millions d'années environ. © ESO, M. Kornmesser
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L'origine des jets des trous noirs supermassifs révélée par les champs magnétiques de M87*

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[EN VIDÉO] L'activité du trou noir supermassif M87* a été filmée  Les succès remportés depuis plus de 50 ans par la théorie de la relativité générale sont un tribut au génie créateur et rebelle d'Albert Einstein. Mais ces succès reposent aussi sur des tests de plus en plus rigoureux et l'un des derniers en date concerne les images que commence à livrer l'Event Horizon Telescope concernant le trou noir supermassif M87*. On commence même à pouvoir en faire des films montrant son activité. 

Les trous noirs supermassifs accrétant de la matière et avec des jets de particules sont parmi les objets les plus énergétiques de l'Univers observable, en particulier quand ils se présentent sous la forme de quasars. Un mécanisme permettant d'expliquer l'énigmatique production d'énergie à la source de ces phénomènes a été proposé en 1977 et pour la première fois, aujourd'hui, il reçoit une confirmation grâce aux toutes premières images d'un trou noir révélées par la collaboration de l'Event Horizon Telescope (EHT).

C'est fin novembre 1915 qu'Albert Einstein a exposé la forme finale de sa théorie de la relativité générale, jalonnée au cours des précédentes années par plusieurs publications cherchant à rendre compatible la théorie de la gravitation de Newton avec la théorie de la relativité restreinte.

Un mois plus tard, ayant sans doute suivi depuis un moment déjà les travaux d'Einstein et bien qu'il soit sur le front de l'Est en lutte contre la Russie, l'astronome allemand Karl Schwarzschild trouve deux solutions des équations d'Einstein décrivant le champ de gravitation à l'extérieur puis à l'intérieur d'une étoile idéalisée, supposée parfaitement sphérique et avec un contenu de matière uniformément dense. La solution ne décrit pas une étoile en rotation et à l'époque, la solution concernant l'espace vide autour de l'étoile n'est pas encore correctement comprise mais on prend conscience assez rapidement qu'elle pose potentiellement des problèmes avec des pathologies liés à la notion de singularité en mathématique, mais aussi en physique. Nous le savons aujourd'hui, cette solution décrit tous les trous noirs sans rotation et avec une masse.

La galaxie elliptique M87 abrite plusieurs milliers de milliards d'étoiles, un trou noir supermassif et une famille d'environ 15.000 amas globulaires. À titre de comparaison, notre galaxie de la Voie lactée ne contient que quelques centaines de milliards d'étoiles et environ 150 amas globulaires. Cette image de M87 en fausses couleurs est en réalité composite et a été formée à partir d'observations de Hubble en lumière visible et infrarouge. On voit clairement un jet de matière que l'on sait associé au trou noir M87* imagé en 2019 par les membres de l'Event Horizon Telescope. © Nasa, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); P. Cote (Herzberg Institute of Astrophysics) E. Baltz (Stanford University)

L'énigme des quasars

Quelques années après la découverte de Karl Schwarzschild, l'astronome états-unien Heber Curtis remarque en 1918 une curieuse structure allongée sur une photographie de la galaxie Messier 87, prise avec le télescope de l'observatoire Lick. Il ne pouvait pas savoir à l'époque qu'il était en présence d'un jet de matière s'étendant sur au moins 5.000 années-lumière et issu d'un trou noir, M87*, contenant 6,5 milliards de masses solaires au cœur de M87, une galaxie elliptique située à 55 millions d'années-lumière de la Voie lactée.

Il ne pouvait pas savoir non plus qu'avec l'essor de la radioastronomie, on découvrirait que non seulement M87 est la plus grande galaxie elliptique la plus proche de la Terre mais surtout l'une des plus brillantes radiosources du ciel, faisant une cible de choix pour les membres de l'Event Horizon Telescope.

Faisons un bond en avant de plusieurs décennies. Au début des années 1960, Maarten Schmidt, un astronome néerlandais fait l'analyse spectrale d'un astre, la contrepartie dans le visible d'une source radio puissante, nommée 3C 273. Elle se présentait comme une étoile mais elle se trouvait à plus de 2,4 milliards d'années-lumière de la Voie lactée, ce qui veut dire que pour être observable à une telle distance proprement cosmologique, elle devait être d'une luminosité absolument prodigieuse, dépassant les cinq millions de millions de fois celle du Soleil, ou présentée d'une autre façon était équivalente à celle de 1.000 fois les centaines de milliards d'étoiles de notre Voie lactée !

Il s'agit de la découverte des quasi-stellar radio sources, des quasars selon la dénomination proposée en 1964 par l'astrophysicien d'origine chinoise Hong-Yee Chiu. Or, la même année, le mathématicien néo-zélandais Roy Kerr fait la découverte d'une autre solution de la relativité générale. Comme il l'explique dans un article en accès libre sur arXiv le contexte était à chercher à rendre compte de l'existence des quasars à l'aide de la théorie de la relativité générale. On savait depuis les travaux d’Oppenheimer et ses élèves à la fin des années 1930 que la théorie  prévoyait qu'une étoile sans rotation ayant épuisé son carburant thermonucléaire devait s'effondrer gravitationnellement, ce qui conduisait à voir en face les bizarreries et les pathologies de la solution Schwarzschild.

Le mathématicien Roy Kerr nous explique la saga de la théorie des trous noirs, avec les problèmes de singularité associés et sa découverte. 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 ». © Vetenskapsakademien

Une solution décrivant un astre en rotation, un trou noir de Kerr

Malgré plusieurs tentatives, personne n'avait trouvé l'équivalent des deux solutions de Schwarzschild pouvant décrire ce qui serait une étoile en rotation, ce qui est problématique car elles tournent toutes. Or on pouvait penser qu'une rotation, qui devait nécessairement augmenter du fait de la conservation du moment cinétique (avec une force centrifuge qui le ferait également lors d'un effondrement gravitationnel et s'opposant donc à lui), devait conduire à un moment à l'arrêt de cet effondrement et donc supprimer la pertinence de la solution pathologique de Schwarzschild lorsque la masse de l'astre devenait concentrée sous une surface d'un rayon donné.

Inspiré et intéressé par de nouvelles techniques de géométrie différentielles, Kerr avait entrepris de trouver une telle solution. Nous ne la connaissons toujours pas aujourd'hui, sauf des approximations, mais il n'en reste pas moins vrai que Kerr avait bel et bien décrit une solution rigoureusement exacte décrivant le champ de gravitation extérieur d'un astre en rotation. Mais lequel ?

Au cours de la décennie qui va suivre, notamment grâce aux travaux de Roger Penrose et Brandon Carter, on va comprendre que la solution de Kerr décrit tous les trous noirs en rotation.

Comme l'accrétion de matière sur un astre très compact doit libérer une quantité plus importante d'énergie pour une quantité de matière donnée, notamment de l'hydrogène, que par des réactions de fusion thermonucléaire, on pouvait penser qu'un trou noir de Kerr supermassif accrétant de la matière pouvait d'une façon ou d'une autre produire l'extraordinaire quantité d'énergie expliquant la luminosité des quasars. Des modèles de disques d'accrétion entourant des trous noirs vont donc être construits, notamment par Kip Thorne et Igor Novikov en 1973 et également à la même époque par Nikolai  Shakura et Rashid Sunyaev.

De gauche à droite, en 2016, Roger Blandford et Roy Kerr, le mathématicien qui a découvert la solution des équations d'Einstein décrivant un trou noir en rotation. © Bengt Nyman, CC by-sa 4.0

Un trou noir transformé en dynamo magnétique

Toutefois, ce qui va vraiment tout changer c'est la découverte faite en 1977 par deux jeunes astrophysiciens relativistes alors à l'université de Cambridge, Roger Blandford et Roman Znajek. Roger Penrose avait déjà montré à la fin des années 1960 qu’il était possible d’extraire de l’énergie en ralentissant la rotation d’un trou noir et donc en puisant dans son énergie cinétique de rotation. Les deux chercheurs vont construire un scénario plus élaboré que celui de Penrose, mais basé sur la même idée.

C'est ce processus dit de Blandford-Znajek qui va s'imposer pour expliquer non seulement la luminosité des quasars mais l'existence de jets de matière souvent associés et que l'on peut détecter par exemple lorsqu'ils produisent deux sources radio aux extrémités de ces jets quand ils entrent en collision avec le milieu intergalactique.

Il n'était soutenu jusqu'ici en grande partie que par des simulations numériques et des calculs analytiques. Mais comme l'explique aujourd'hui un long article publié par Quanta Magazine, le célèbre et réputé  périodique numérique de la Fondation Simons qui couvre les derniers développements en physique, mathématiques, biologie et informatique, cette situation est en passe d'être révolutionnée par les observations de l'Event Horizon Telescope avec M87*.

L'instrument a fourni des images et des mesures, surtout au niveau de la polarisation de la lumière émise par le disque d'accrétion autour du trou noir supermassif (une observation dont Futura avait déjà rendu compte dans le précédent article ci-dessous) qui sont en droite ligne avec les prédictions du processus de Blandford-Znajek, plus précisément de l'un des deux principaux scénarios d'accrétion étudiés à l'ordinateur depuis un moment. De façon étonnante, ce n'est pas celui qui apparaissait le plus crédible qui est aujourd'hui testé et favorisé par les données de l'EHT.

Roger Blandford nous parle des trous noirs supermassifs et de leurs jets dans cette vidéo. 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 ». © Quanta Magazine

Voyons de quoi il en retourne. Lorsque de la matière forme un disque d'accrétion, elle tombe en spirale vers le corps attracteur, tournant d'autant plus vite qu'elle s'en approche. Elle est initialement sous forme d'un gaz, or ce gaz est visqueux ce qui veut dire qu'en raison des différences de vitesse entre deux anneaux concentriques de matière dans le disque il va y avoir des forces de frottement qui vont chauffer le gaz.

Le disque de matière autour d'un trou noir va donc s'ioniser, des courants électriques et des champs magnétiques vont naître dans le plasma formé. Il existe toute une théorie de ces phénomènes en espace-temps courbe. Blandford et Znajek l'ont utilisée pour décrire ce qui se passait en raison des propriétés de la métrique de l'espace-temps de Kerr, comme disent les spécialistes dans leur jargon.

Autour de l'horizon sphérique du trou noir existe alors une zone en forme d'ellipsoïde de rotation appelée l'ergosphère. Un corps en chute libre radialement sera contraint d'avoir une composante de rotation supplémentaire en pénétrant dans cette région. C'est aussi vrai pour les lignes de champs magnétiques générées par le disque, de sorte que tout se passe au final comme si on avait un aimant en rotation et l'équivalent d'une dynamo produisant des différences de potentiel.

Deux conséquences essentielles en découlent. Tout d'abord ces différences vont accélérer des particules chargées presque à la vitesse de la lumière et enfin la rotation du trou noir va tordre les lignes de champs magnétiques et certaines vont former une sorte de tube torsadé suivant l'axe de rotation du trou noir et le long duquel les particules chargées vont s'élever. Clairement, il s'agit des jets des trous noirs supermassifs, ces particules se mettant alors à rayonner intensément, ce qui va produire des paires de particules-antiparticules elles-mêmes accélérées et ainsi de suite.

Une vue d'artiste d'un trou noir supermassif en rotation entouré d'un disque de matière. On voit aussi un jet de particules s'élevant du trou noir. © Nasa

Une accrétion « folle » ou « saine » ?

Comment connecter ces explications avec les images de M87* fournies par l'EHT ? Il se trouve que les champs magnétiques peuvent influer sur la polarisation de la lumière émise (des explications détaillées sur la polarisation de la lumière ont été données dans le précédent article ci-dessous) de sorte qu'en mesurant la polarisation des ondes radio générées par le trou noir supermassif et son disque d'accrétion - ce que peut justement faire l'EHT -, on peut former une image montrant la structure magnétique du disque.

Celle obtenue montre des bandes régulières découlant d'une forte polarisation s'enroulant en spirale impliquant des lignes de champs magnétiques et un écoulement du plasma ordonné, exactement selon l'un des schémas autorisés par le processus de Blandford-Znajek et qui génère des jets de particules.

Un autre de ces scénarios, celui attendu, aurait eu la signature d'un écoulement nettement plus turbulent et chaotique. Les champs magnétiques y sont faibles et c'est l'accrétion de matière qui contrôle la production des jets, accrétion qui s'accompagne d'une forte turbulence du plasma. Pour les astrophysiciens numériciens qui étudiaient ce modèle, il porte le nom de Sane, un jeu de mots avec l'acronyme en anglais de stable and normal evolution.

D'autres chercheurs favorisaient le modèle magnetically arrested disk, MAD, où les champs magnétiques sont intenses et contrôlent le processus de Blandford-Znajek et réduisent fortement les manifestations de la turbulence et du chaos (sane est utilisé pour décrire une personne saine d'esprit en anglais, au contraire de mad).

Les modélisations sur ordinateurs qui avaient commencé au cours des années 1980 et qui depuis les années 2000 voyaient l'affrontement des scénarios Sane et MAD sont donc finalement entrées en contact avec l'expérience qui semble avoir tranché en faveur de MAD.

Les trous noirs sont enveloppés de plasma. Ce plasma contient des champs magnétiques qui affectent la façon dont la matière se déplace. Au fur et à mesure que le champ magnétique devient plus fort, il change de forme et avec lui la lumière polarisée que nous mesurons, comme l'explique cette animation. Aujourd'hui, nous révélons une découverte révolutionnaire : les ondes lumineuses polarisées que nous observons indiquent que le trou noir M87* possède de forts champs magnétiques. Ces champs magnétiques exercent une puissante influence sur la façon dont les objets gravitent autour du trou noir et sur la formation de ses jets, qui est l'un des plus grands mystères de l'astrophysique moderne. 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 ». © ehtelescope


 

Pour en savoir plus

 

Cette image offre une vue polarisée du trou noir de M87*. Les lignes indiquent l’orientation de la polarisation, étroitement liée au champ magnétique qui entoure l’horizon du trou noir. © EHT Collaboration

Les champs magnétiques entourant le trou noir M87* révélés en image par l'EHT

Après avoir livré en 2019 la toute première image d'un trou noir, la collaboration de l'Event Horizon Telescope (EHT) en révèle une nouvelle en lumière polarisée. C'est la toute première constituant une signature des champs magnétiques à si grande proximité d'un trou noir supermassif, en l'occurrence M87*. Voilà de quoi mieux comprendre la physique des quasars.

Il y a presque deux ans, le 10 avril 2019, les membres de la collaboration EHT rendaient publique la toute première image d’un trou noir, révélant l’existence d’une structure annulaire brillante en périphérie d’une région centrale sombre que tout indiquait être l'ombre de l'horizon des événements d'un trou noir supermassif. Cet astre, au moins incontestablement compact, se trouve au cœur de la grande galaxie elliptique M87 à laquelle les radiotélescopes ont associé une source radio désignant désormais le trou noir : M87*. Futura a consacré plusieurs articles à cette découverte, dont le précédent ci-dessous. Elle venait confirmer les travaux de pionnier de Jean-Pierre Luminet et ses collègues sur l'aspect visible des trous noirs, lorsqu'ils sont entourés d'un disque d'accrétion.

Les images de l'EHT font de M87* un laboratoire naturel pour tester de la nouvelle physique en complément de l'étude des ondes gravitationnelles. On peut espérer qu'elles vont aider à percer certains des mystères de l’écume de l’espace-temps, pour reprendre le titre du récent ouvrage que Jean-Pierre Luminet a consacré à ce sujet.

Visioconférence donnée le 12 mars 2021 pour les étudiants et chercheurs du Département de physique de l'Université d'Aix-Marseille, organisée par le Centre de physique théorique. © Jean-Pierre Luminet

La collaboration EHT rassemble plus de 300 chercheurs issus de tous les continents. Certains d'entre eux sont mentionnés dans le tout dernier communiqué de l'ESO, qu'accompagnent trois articles distincts au sein de The Astrophysical Journal Letters.

Ils expliquent une nouvelle découverte que les analyses des données collectées avant 2019 par un ensemble d'instruments répartis sur toute la planète, et fonctionnant comme un radiotélescope géant d'une taille comparable à celle de la Terre, ont permise.

Virtuel, cet œil de la noosphère est tout de même doté en conséquence du pouvoir de résolution angulaire le plus élevé à ce jour en astronomie, ce qui lui permet de révéler des détails inédits d'un astre pourtant situé à environ 55 millions d'années-lumière de la Voie lactée.

Pour s'en faire une idée, il suffit de savoir que s'il s'agissait d'un télescope opérant dans le visible, l'EHT permettrait de mesurer la taille d'une carte de crédit à la surface de la Lune. Il est constitué de huit radiotélescopes parmi lesquels figurent l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) et l'Atacama Pathfinder Experiment (Apex), opérant tous deux sous le contrôle de l'ESO depuis le nord du Chili.

Une présentation de la polarisation des ondes lumineuses. 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 ». © ehtelescope

La lumière polarisée, une clé de l'astrophysique

Comment résumer en quelques lignes la découverte de l'EHT aujourd'hui annoncée ? Probablement avec les commentaires dans le communiqué de l’ESO de Monika Mościbrodzka, coordinatrice du Groupe de travail sur la polarimétrie de l'EHT et Professeure adjointe à l'Université Radboud aux Pays-Bas : « Nous sommes en train d'acquérir l'indispensable élément de compréhension du comportement des champs magnétiques autour des trous noirs, et de l'impact, sur cette région extrêmement compacte, de toute cette activité sur la génération de puissants jets qui s'étendent bien au-delà de la galaxie. »

Qu'est-ce à dire ? Pour le comprendre, il faut savoir qu'une onde lumineuse peut se décrire comme un champ électrique qui est sous la forme d'une flèche perpendiculaire à la direction de propagation du rayon lumineux associé à cette onde et qui peut osciller comme un poids au bout d'un ressort. On parle alors de polarisation linéaire de la lumière quand la direction de la flèche reste selon une même droite le long de la propagation de l'onde. Une lumière non polarisée serait décrite par une flèche dont la direction, bien que toujours perpendiculaire au rayon lumineux, varie chaotiquement. Lorsque la flèche oscille tout en tournant régulièrement avec son extrémité sur un cercle, on parle de polarisation circulaire.

La lumière émise par un corps chauffé, comme le Soleil, n'est pas polarisée. Mais, en présence d'un champ magnétique ou plus généralement en interagissant avec certains matériaux, par exemple en se réfléchissant sur du verre ou en traversant une roche tel le spath d'Islande, elle le devient. Du coup, mesurer la polarisation d'une onde lumineuse peut apporter de précieux renseignements sur l'état du champ magnétique d'un astre, comme justement le Soleil, ou la structure et les propriétés de la matière traversée.
 

Les trous noirs, des moteurs et générateurs magnétiques

Dans le cas d'un trou noir comme M87*, nous savons qu'il possède un disque d'accrétion ainsi que des jets de particules dont l'un est même repérable dans le visible, s'étendant sur plus de 5.000 années-lumière. M87* est donc à l'origine de ce que l'on appelle un noyau actif de galaxie dont les exemples les plus spectaculaires sont les quasars. Ces objets libèrent des quantités d'énergie lumineuse fabuleuses dont ne peuvent rendre compte de simples réactions thermonucléaires, comme dans le cas des étoiles.

On peut rendre expliquer ces émissions d'énergie colossales et l'existence de jets de particules accélérées à une fraction notable de la vitesse de la lumière en utilisant des modèles fortement inspirés de celui proposé en 1977 par les astrophysiciens Roger Blandford et Roman Znajek.

Pour cela, il faut considérer un trou noir en rotation, donc décrit par la fameuse métrique de Kerr, entouré d'un disque d'accrétion chauffé par des forces de frottements visqueux au point que la matière y devient ionisée. Il apparaît alors des courants électriques et des champs magnétiques dont la description relève des équations de la magnétohydrodynamique relativiste en espace-temps courbe. Avec un trou noir de Kerr, l'énergie d'accrétion et l'énergie de rotation du trou noir se combinent pour que l'ensemble disque d'accrétion et trou noir se comporte comme une sorte de générateur et d'accélérateur de particules électromagnétiques.

Tout n'est cependant pas parfaitement compris dans ces processus complexes. Mais un excellent moyen de progresser dans l'élucidation des énigmes qu'ils posent (et qui nous empêchent de bien comprendre comment les trous noirs supermassifs croissent à partir des courants froids de matière et influent à leur tour l'évolution des galaxies en libérant de l'énergie et en émettant de puissants jets de particules) est justement de cartographier les lignes de champ magnétique dans le disque d'accrétion et aux abords de son horizon des événements. C'est précisément ce que permet la mesure de la polarisation de la lumière émise par M87*.

Après avoir acquis la toute première image d’un trou noir, la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT) révèle ce jour l’aspect, en lumière polarisée, de l’objet massif situé au centre de la galaxie Messier 87 (M87). C’est la toute première fois que les astronomes peuvent mesurer la polarisation, une signature des champs magnétiques, à si grande proximité du pourtour d’un trou noir. Cette vidéo en retrace la découverte. 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 ». © ESO, EHT Collaboration, L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., M. Kornmesser, C. Malin (christophmalin.com) et B. Tafreshi (twanight.org)

C'est d'ailleurs ce qu'explique Iván Martí-Vidal, également coordinateur du Groupe de travail sur la polarimétrie de l'EHT et chercheur émérite du GenT à l'Université de Valence en Espagne, dans le communiqué de l'ESO : « ces travaux constituent une réelle avancée : la polarisation de la lumière est porteuse d'informations nous permettant de mieux comprendre les processus physiques à l'œuvre derrière l'image acquise en avril 2019, ce qui était impossible auparavant », et que confirme son collègue Andrew Chael, membre de la collaboration EHT, membre du Nasa Hubble au Centre Princeton dédié à la Science théorique et de la Princeton Gravity Initiative aux États-Unis : « les images polarisées nouvellement publiées sont essentielles pour comprendre la façon dont le champ magnétique aide le trou noir à se "nourrir" de la matière environnante et à émettre de puissants jets ».

Parmi les conclusions déjà atteintes : « les observations suggèrent que les champs magnétiques présents sur le pourtour du trou noir sont suffisamment puissants pour repousser le gaz de température élevée et l'aider à résister à l'attraction gravitationnelle du trou noir. Seul le gaz qui traverse le champ peut tourbillonner vers l'intérieur, jusqu'à l'horizon des événements », précise Jason Dexter, Professeur adjoint à l'Université Boulder du Colorado, États-Unis, et coordinateur du Groupe de travail sur la Théorie à l'EHT.

Sur cette image composite figurent trois vues des régions centrales de la galaxie Messier 87 (M87) en lumière polarisée et une vue, dans le domaine visible, acquise par le télescope spatial Hubble. La galaxie, qui héberge un trou noir en son centre, est célèbre pour ses jets qui s’étendent bien au-delà de la galaxie. Les lignes indiquent l’orientation de la polarisation, étroitement liée au champ magnétique qui règne au sein des régions imagées. La combinaison des informations capturées par l’EHT et Alma permet aux astronomes d’étudier le rôle des champs magnétiques depuis les environs de l’horizon du trou noir (sondé par l’EHT à l’échelle d’un jour-lumière) jusqu’à l’extrémité des puissants jets émis par la galaxie (sondé par Alma à l’échelle de milliers d’années-lumière). Les valeurs obtenues – exprimées en GHz – se réfèrent aux fréquences de la lumière auxquelles les différentes observations ont été effectuées. Les lignes horizontales figurent l’échelle (en années-lumière) de chaque image prise individuellement. © EHT Collaboration; Alma (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; Nasa, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal

Le trou noir supermassif  M87* « filmé » en pleine activité par l'EHT

Article de Laurent Sacco publié le 26/09/2020

Les succès remportés depuis plus de 50 ans par la théorie de la relativité générale sont un tribut au génie créateur et rebelle d'Albert Einstein. Mais ces succès reposent aussi sur des tests de plus en plus rigoureux et l'un des derniers en date concerne les images que commence à livrer l'Event Horizon Telescope concernant le trou noir supermassif M87*. On commence même à pouvoir en faire des films montrant son activité.

Einstein a souligné vigoureusement, à raison et à plusieurs reprises, que la science reposait sur une libre création de concepts et de théories et qu'il n'y avait pas de chemin déductif logique, une méthode, menant des données de l'expérience à la création d'une théorie scientifique, contrairement à ce qu'affirment certaines conceptions positivistes relevant de l'empirisme logique. En ce sens, et l'histoire des sciences le vérifie amplement, de Kepler à Schrödinger, en passant par Newton et Einstein, toutes les sources d'inspiration peuvent être bonnes à prendre et il n'est pas rare que des archétypes profonds soient à la source des plus grandes avancées scientifiques et rationnelles, lesquelles vont à leur tour résonner avec ces archétypes comme un Wolfgang Pauli le savait bien.

Jean-Pierre Luminet va bientôt sortir un nouveau livre qu'il considère comme son Magnum opus le 14 octobre aux Editions Odile Jacob : L'Écume de l'espace temps. © Jean-Pierre Luminet

Mais Einstein aurait sans aucun doute été d'accord aussi avec les déclarations de Richard Feynman décrivant sa conception et sa pratique de la physique théorique : « Le jeu auquel je joue est très intéressant. C'est de l'imagination dans une camisole de force qui est la suivante : elle doit s'accorder avec les lois connues de la physique (...) Cela demande de l'imagination pour penser à ce qui est possible, puis il faut une analyse en arrière pour voir si cela convient, si c'est autorisé selon ce qui est connu, d'accord ? » Il y a en effet une logique de la découverte scientifique reposant sur des méthodes qui peuvent certes être révisées et soumises à la discussion rationnelle critique, comme l'avait bien compris Karl Popper, mais dont on ne peut faire l'impasse.

L'Event Horizon Telescope, un outil pour tester la théorie des trous noirs

La théorie de la relativité générale, avec ses modèles cosmologiques et sa théorie des trous noirs, est sans aucun doute un bon exemple de ces considérations qui touchent aussi bien à l'épistémologie qu'à la philosophie grecque et aux arts, tant il est vrai que les concepts d'un espace-temps plastique et de trou noir fascinent l'esprit humain. Ces derniers ont nécessité pour être explorés, et surtout testés, tout l'arsenal de la technologie et des méthodes de traitements des donnée de la science moderne, du laser au Deep learning.

On se souvient que des arguments de poids ont été apportés à l'existence des trous noirs et à l'exactitude de la théorie les décrivant avec les observations de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) qui a révélé en 2019 la première image de ce qui semble bien être un trou noir supermassif dans la galaxie M87. Cette image, qui montre en quelque sorte l'ombre de l'horizon des événements du trou noir M87* par contraste avec son disque d'accrétion et ce que l'on appelle sa sphère de photon, a été obtenue au cours des dernières années en combinant des observations faites par des radiotélescopes de par le monde. C'est la fameuse technique de synthèse d'ouverture par interférométrie qui permet de créer un radiotélescope virtuel de la taille de la Terre ou presque à partir de radiotélescopes beaucoup plus petits répartis sur les continents.

L'observation s'est montrée tout à fait conforme aux simulations numérique de pionnier qu'avait fait Jean-Pierre Luminet à la fin des années 1970 pour montrer ce à quoi les observateurs pouvaient s'attendre à voir en cherchant à visualiser un trou noir et son environnement avec un disque d'accrétion.

Une présentation des travaux de la collaboration EHT lorsqu'elle a révélé la première image de M87* en 2019. 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 ». © Perimeter Institute for Theoretical Physics

Les vacillations du disque d'accrétion d'un trou noir sous la caméra de l'EHT

Via un article publié dans The Astrophysical Journalles membres de l'EHT font savoir aujourd'hui qu'ils sont allés un cran plus loin en obtenant plusieurs images étalées sur quelques années et qui permettent de faire un début de film de l'activité d'un trou noir avec son plasma turbulent.

Le contenu de cet article est commenté en ces termes dans un communiqué de la collaboration EHT par son principal rédacteur, Maciek Wielgus, astronome au Centre d'astrophysique Harvard & Smithsonian et auteur principal de l'article : « L'année dernière, nous avons vu une image de l'ombre d'un trou noir, consistant en un croissant lumineux formé par un plasma chaud tourbillonnant autour de M87 *, et une partie centrale sombre, où nous nous attendons à ce que l'horizon des événements du trou noir soit.

Mais ces résultats étaient basés uniquement sur des observations effectuées tout au long d'une fenêtre d'une semaine en avril 2017, ce qui est bien trop court pour voir beaucoup de changements. Sur la base des résultats de l'année dernière, nous avons posé les questions suivantes : cette morphologie en forme de croissant est-elle cohérente avec les données d'archives ? Les données d'archives indiqueraient-elles une taille et une orientation similaires du croissant ? »

En effet, de 2009 à 2013, M87 * a été observé par des prototypes de l'EHT avec des radiotélescopes situés sur trois sites géographiques en 2009-2012 et quatre sites en 2013. En 2017, l'EHT a finalement utilisé des instruments situés sur cinq sites géographiques distincts à travers le monde.

« Avec l'incroyable résolution angulaire de l'EHT, nous aurions pu observer une partie de billard se jouer sur la Lune sans perdre de vue le score ! » rappelle Maciek Wielgu. Lui et ses collègues ont bénéficié de l'expérience acquise pour développer des outils permettant d'extraire des informations des observations datant d'avant 2017.

Instantanés du trou noir M 87* obtenus par imagerie / modélisation géométrique et du réseau de télescopes EHT entre 2009 et 2017. Le diamètre de tous les anneaux est similaire, mais l'emplacement du côté brillant varie. La variation de l'épaisseur de l'anneau n'est probablement pas réelle et résulte du nombre limité de radiotélescopes dans des expériences antérieures. © M. Wielgus, D. Pesce et la collaboration EHT Les astrophysiciens relativistes font aujourd’hui savoir, toujours dans le communiqué de l’EHT, que les images de M87* sont toujours conformes aux prédictions de la théorie de la relativité générale.Ainsi, Kazu Akiyama, un radioastronome du NRAO au MIT Haystack Observatory et membre de la collaboration, explique que : « Dans cette étude, nous montrons que la morphologie générale, ou la présence d'un anneau asymétrique, persiste très probablement sur des échelles de temps de plusieurs années. La cohérence à travers plusieurs époques d'observation nous donne plus de confiance que jamais sur la nature de M87* et l'origine de l'ombre ».Toutefois, si le diamètre de l’anneau de photon est resté constant, la répartition de son intensité lumineuse a vacillé au cours du temps, ce qui a surpris les chercheurs pour leur plus grand plaisir. Rappelons que le gaz tombant sur un trou noir chauffe jusqu'à des milliards de degrés, s'ionise et devient un plasma turbulent en présence de champs magnétiques.Pour Maciek Wielgus et ses collègues, on verrait là des manifestations des caractéristiques de l’accrétion de la matière par le trou noir : « Parce que le flux de matière est turbulent, l’anneau semble vaciller avec le temps. En fait, nous y voyons beaucoup d’oscillations, et tous les modèles théoriques d'accrétion n’en permettent pas autant. Cela signifie que nous pouvons commencer à exclure certains des modèles basés sur la dynamique des sources observées ». Dans cette vidéo, une simulation de l'image du trou noir observée par l'EHT est montrée, avec l'effet de la résolution effective de l'instrument qui rend l'image un peu floue. Le disque d'accrétion avec l'anneau de photon y est turbulent de toute façon. © ehtelescopeMieux, tout comme on se sert des mouvements des étoiles autour du trou noir central de la Voie lactée pour tester des alternatives à la théorie relativiste de la gravitation d’Einstein, ces oscillations vont permettre de faire la même chose avec au moins M87*. L’avenir s’annonce brillant à ce sujet si l’on imagine une décennie de nouvelles données avec des instruments encore plus performants nous livrant des images pour des films probablement spectaculaires de l’activité d’autres trous noirs supermassifs.Laissons le mot de la fin à Geoffrey Bower, également membre de la collaboration EHT et chercheur à l'Academia Sinica, Institut d'astronomie et d'astrophysique (Asiaa) : « La surveillance de M87* avec un réseau EHT étendu fournira de nouvelles images et des ensembles de données beaucoup plus riches pour étudier la dynamique turbulente. Nous travaillons déjà à l'analyse des données des observations de 2018, obtenues avec un télescope supplémentaire situé au Groenland. En 2021, nous prévoyons des observations avec deux autres sites, offrant une qualité d'image extraordinaire. C'est une période vraiment excitante pour étudier les trous noirs ! ».Un an après le trou noir M87*, l'EHT livre l'image d'un jet de quasarArticle de Laurent Sacco publié le 09/04/2020Un an après l'obtention de la première image d'un trou noir, les membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) révèle celles d'un jet associé à un quasar. La résolution obtenue bat un record et montre des détails inédits.Le 10 avril 2019, la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) révélait la première image de ce qui est très probablement un trou noir supermassif avec un horizon des événements et ce, au cœur de la radiogalaxie M87. Baptisé M87*, ce trou noir exhibait clairement, dans l’image produite en combinant les observations de plusieurs radiotélescopes sur la planète, l’aspect attendu depuis les premières simulations numériques faites à ce sujet par Jean-Pierre Luminet. On espérait voir aussi une image du trou noir supermassif de notre Voie lactée, Sgr A* mais l’entreprise s’est trouvée être plus difficile que prévu.Sans doute pour célébrer l’événement, presque un an après, la même collaboration fait savoir que le même instrument géant virtuel, équivalent à un seul radiotélescope dont la résolution permettrait de distinguer une orange sur la Lune depuis la Terre, a permis de faire un zoom inédit sur une autre source radio, un célèbre quasar : 3C 279. Il est situé dans la constellation de la Vierge, à 5 milliards d’années-lumière de la Voie lactée. Comme tous les quasars, il s’agit là aussi d’un trou noir supermassif en rotation, contenant en l’occurrence un milliard de fois la masse du Soleil, et entouré d’un disque d’accrétion. Une vue d'artiste expliquant le modèle unifié des AGN. Dans tous les cas, il s'agit d'un trou noir supermassif entouré d'un disque d'accrétion, lui-même bordé par un énorme tore de poussières et de gaz. Des jets de particules sont émis et lorsque l'on observe un AGN parallèlement à l'un de ces jets, on obtient un blazar très lumineux. Perpendiculairement, le rayonnement perçu est moins intense et l'on voit surtout une source radio. Entre les deux, et quand l'activité est très forte, on voit un quasar. © NRAO OutreachUn jet faussement supraluminique3C 279 génère de jets de matière au niveau de ce disque et la célébrité de ce quasar vient justement du fait qu’il fut le premier à exhiber avec eux, en 1973 dans les observations d’un radiotélescope, un exemple de mouvement apparemment supraluminique. Il s'agit en réalité d'une sorte d'illusion d'optique particulièrement spectaculaire qui se produit lorsqu'un jet de trou noir est dirigé presque dans notre direction et qui semble montrer deux parties de matière s'éloigner l'une de l'autre plus vite que la lumière sur la voûte céleste. Mais il n'en est rien, la théorie d'Einstein n'est pas violée.Aujourd’hui, en utilisant la technique de l'interférométrie à très longue base (ou VLBI, Very Long Baseline Interferometry) qui synchronise et relie des antennes paraboliques du monde entier, les membres de l’EHT ont obtenu des images avec une résolution record (20 micro-arcsecondes) pour des jets de quasars, comme s'ils disposaient d’un radiotélescope de la taille de la Terre, ainsi qu’ils l’expliquent dans un article publié dans Astronomy & Astrophysic. Elles ont été obtenues après une longue analyse des données collectées en avril 2017.On peut ainsi distinguer pour la première fois des détails plus petits qu’une année-lumière, ce qui permet de zoomer jusqu’à la base du jet au niveau du disque d’accrétion de 3C 279 et de le voir en action. Les chercheurs ont alors constaté que le jet a une forme torsadée inattendue à sa base et que des structures perpendiculaires au jet pourraient être interprétées comme les pôles du disque d'accrétion où les jets sont éjectés.On voit avec ces images les progrès en résolution obtenus avec des réseaux de radiotélescopes de plus en plus grands, du Very Long Baseline Array (VLBA) à l'EHT. © J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and Event Horizon Telescope CollaborationBientôt des films de l'activité des trous noirs supermassifsEnfin, la haute résolution atteinte permet de constater des détails fins qui changent au cours des jours consécutifs, peut-être en raison de la rotation du disque d'accrétion, ou bien alors des fluctuations du processus d’accrétion de matière lui-même comme le prédisaient des simulations numériques mais qui n’avaient jamais été observés auparavant.Les chercheurs sont enthousiastes. Non seulement ils continuent de travailler sur des données déjà collectées concernant d’autres trous noirs au cœur de galaxies actives telles que Centaurus A, OJ 287 et NGC 1052, mais ils pensent également que, avec les années et l’ajout d’autres radiotélescopes, ils vont obtenir des images encore plus précises. Au moins dans le cas de Sgr A*, il devrait même être possible de réaliser de véritables films montrant les variations d’activité des trous noirs géants absorbant de la matière et l’éjectant de leurs disques d’accrétions.L’Univers nous réserve certainement des surprises au cours de cette décennie avec l’EHT. Il serait peut-être possible, par exemple, d'avoir des tests de certaines théories de gravitation quantique comme l'expliquait Aurélien Barreau à Futura l'an dernier. On voit toujours avec les images dans cette vidéos les progrès en résolution obtenus avec des réseaux de radiotélescopes de plus en plus grands. On voit également l'évolution dans le temps du jet du quasar partant de son disque d'accrétion. Un effet d'optique transluminique intervient avec une vitesse apparente de 20 fois celle de la lumière mais en réalité, la matière se déplace à 0,995 fois cette vitesse, en accord avec la théorie de la relativité d'Einstein. © Perimeter Institute for Theoretical Physics
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