Cette image UHD montre plusieurs antennes Alma au Llano Chajnantor (llano en espagnol signifiant « plateau »). Au-dessus d'eux, la voie lactée est visible. © ESO/Y. Beletsky

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Event Horizon Telescope : faisons connaissance avec les trous noirs Sagittarius A* et M87

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Sagittarius A* et M87 sont des sources radio. Il est hautement probables qu'elles soient associées à des trous noirs supermassifs, respectivement au cœur de la Voie lactée et de la galaxie Messier 87. Observées avec l'Event Horizon Telescope, elles pourraient révolutionner notre compréhension des trous noirs et de la physique fondamentale. Voici de quoi préciser un peu leur carte d'identité.

L'effondrement d'une étoile en trou noir est très similaire - si l'on inverse le sens du temps - à la naissance du cosmos observable avec le début de l'expansion de son espace, comme l'avait notamment compris John Wheeler à qui l'on doit le terme de « trou noir ». En rotation, éventuellement avec une charge, un trou noir ressemble à une particule élémentaire avec spin comme l'électron ou un quark (rappelons qu'un proton n'est pas une particule élémentaire et encore moins un trou noir).

L'application des lois de la mécanique quantique à un tel objet conduit à ce que l'on appelle le paradoxe de l'information, révélé par Stephen Hawking, qui questionne la nature profonde de la réalité. Pour toutes ces raisons, il n'est pas difficile de comprendre pourquoi les physiciens et les cosmologistes se passionnent pour l'étude des trous noirs car ces objets sont probablement une clé de toute la physique fondamentale et d'une compréhension profonde de l'origine de l'Univers.

Entretien entre Françoise Combes et Jean-Pierre Luminet sur les trous noirs, tourné au Collège de France en novembre 2015. Réal. David Bornstein. © Jean-Pierre Luminet

Il n'y a pas de science sans la confrontation aux expériences et aux observations pour la nourrir et soumettre ses réflexions aux réfutations. Le plus proche trou noir détecté, reconnu comme tel, est Cygnus X1.

Il n'est qu'à 6.000 années-lumière environ mais c'est un trou noir stellaire contenant seulement une quinzaine de masses solaires, ce qui implique une taille de quelques centaines de kilomètres tout au plus comme pour les autres trous noirs stellaires. Il est plus intéressant de faire des observations avec le trou noir supermassif que l'on pense exister au cœur de la Voie lactée et qui s'est signalé à l'Humanité pour la première fois sous forme d'une source radio baptisée Sagittarius A* (Sgr A* en abrégé). En effet, bien qu'à 26.000 années-lumière environ du Système solaire, sa taille est estimée à environ 25 millions de kilomètres, de sorte que sa taille apparente et les détails concernant son environnement que l'on peut analyser sont plus grands que dans le cas des autres trous noirs stellaires connus dans la Galaxie.

Pour les mêmes raisons, les astrophysiciens se sont tournés vers l'étude d'un objet au cœur de la grande galaxie elliptique M87 située à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Cette fois-ci, l'astre compact devrait avoir une taille d'environ 36 milliards de kilomètres mais sa taille apparente est similaire à celle de Sgr A*. En 2017, il a été observé, tout comme Sagittarius A*, par huit des radiotélescopes formant l'Event Horizon Telescope, un télescope virtuel réalisé grâce à l'interférométrie à très longue base (ou VLBI pour Very Long Baseline Interferometry en anglais), permettant de combiner des instruments de petites tailles pour obtenir l'équivalent d'un instrument de très grande taille, en l'occurrence un radiotélescope de plus de 5.000 kilomètres de diamètre.

Faisons justement un peu plus connaissance avec Sgr A* et M87.

Un zoom vertigineux des astronomes de l'ESO en direction de Sagittarius A* et des étoiles proches qui orbitent autour de lui. Le voyage se termine par une simulation du gaz tourbillonnant au plus près du trou noir supermassif. © ESO/Gravity Consortium/L. Calçada/N. Risinger (skysurvey.org)

Sagittarius A*, le trou noir de 4 millions de masses solaires

Tout commence les 13 et 15 février 1974 quand les astronomes états-uniens Bruce Balick et Robert Brown appliquent la technique de synthèse d'ouverture pour combiner un réseau de radiotélescopes sur le fameux observatoire de Green Bank avec un autre instrument situé à Huntersville, en Virginie-Occidentale. Cela leur permet de mettre en évidence une puissante radio-source compacte en direction du centre de la Voie lactée, dans la constellation du Sagittaire. La source est baptisée Sagittarius A. En 1982, Brown lui donnera finalement le nom qui est resté depuis : Sagittarius A*. Comme l'excitation concernant cette source radio ne faisait qu'augmenter au fur et à mesure qu'on l'étudiait, au moins dans le cas de Brown, il a ajouté « * » qui désigne en physique un atome excité.

Au cours des années 1990, des équipes d'astronomes vont étudier patiemment les mouvements d'étoiles autour de Sagittarius A*. Ces étoiles ne pouvaient être vues que dans l'infrarouge, car il y a une telle quantité de poussières et de nuages moléculaires qui s'intercalent entre un observateur sur Terre et le centre de la Voie lactée qu'il n'est pas possible de l'étudier dans le visible. Les photons gamma et X passent sans problème par contre, et bien sûr des ondes radio dans le domaine millimétrique et le rayonnement infrarouge.

Une étoile en particulier, baptisée S2, a fait l'objet de mesures soigneuses. Or, il s'avère que les caractéristiques des mouvements de ces étoiles renseignent sur la masse d'un corps attracteur. Tout se passe comme si un astre particulièrement compact contenant environ 4 millions de masses solaires se trouvait vers le centre de la Voie lactée. L'explication la plus crédible, et de loin pour l'existence d'un tel astre compact, est celle d'un trou noir supermassif.

Hubble observe en ultraviolet des éruptions avec le jet du trou noir supermassif de M87. © Nasa/ESA/E. Meyer, W. Sparks, J. Biretta, J. Anderson, S.T. Sohn, and R. van der Marel (STScI)/C. Norman (JHU)/M. Nakamura (Academia Sinica)

M87, la galaxie géante avec un jet relativiste

M87 est une galaxie elliptique géante découverte en 1781 par l'astronome français Charles Messier. Elle est située près de la limite nord de la constellation de la Vierge, non loin de la constellation de la Chevelure de Bérénice. Messier 87, comme on l'appelle aussi, est la plus grande galaxie elliptique la plus proche de la Terre et l'une des plus brillantes radio-sources du ciel. Elle a donc été l'objet d'observations fréquentes aussi bien des astronomes amateurs que des radioastronomes. Dès 1918, l'astronome états-unien Heber Doust Curtis avait observé ce que l'on comprendra plus tard être un jet de matière particulièrement fin et collimaté qui s'étend sur au moins 5.000 années-lumière.

Nous savons que ce jet est produit proche du centre de Messier 87 et, là aussi, tout porte à croire qu'un trou noir supermassif en rotation et accrétant de la matière en est à l'origine. Il y aurait en fait deux jets. Celui qui pointe en direction de la Voie lactée contient de la matière allant presque à la vitesse de la lumière et il devient plus brillant à cause d'un effet relativiste alors que celui qui doit partir en direction opposé voit sa luminosité grandement diminuée pour la même raison.

M87 est donc un bon laboratoire pour mieux comprendre la physique des disques d'accrétion et la formation des jets relativistes associés à ces disques et aux trous noirs de Kerr et que nous retrouvons derrière des noyaux de galaxies bien plus actifs, en particulier les quasars. Nous voyons aussi des phénomènes dynamiques dans le jet de M87, que nous pouvons suivre dans l'ultraviolet et le domaine des rayons X avec Hubble et Chandra respectivement. L'Event Horizon Telescope devrait nous permettre d'en savoir plus sur ces phénomènes comme l'a prouvé le fait qu'il a fournit en avril 2019 la première image d'un trou noir supermassif que l'on appelle M87* par analogie avec Sagittarius A*, le trou noir supermassif au coeur de la Voie lactée .

  • L'étude des trous noirs est une clé de la physique fondamentale et de la cosmologie.
  • Les trous noirs les plus faciles à observer ne sont pas les trous noirs produits par l'effondrement gravitationnel des étoiles, qui ne contiennent donc que quelques dizaines de masses solaires tout au plus et dont les tailles se comptent également en centaines de kilomètres tout au plus mais bien les trous noirs supermassifs, dont les masses se comptent en millions et milliards de masses solaires et les tailles en millions et milliards de kilomètres respectivement.
  • Sagittarius A* et M87 sont les trous noirs supermassifs les plus intéressants à cet égard et c'est pourquoi va être testée, avec eux, la théorie des trous noirs à l'aide de l'Event Horizon Telescope.
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