La fameuse image du trou noir M87* en fausses couleurs. © Event Horizon Telescope Collaboration
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Le trou noir supermassif M87* « filmé » en pleine activité par l'EHT

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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 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. © ehtelescope

Mieux, 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 l'obtention de la première image d'un trou noir, les membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) en révèlent plusieurs montrant les variations de l'activité d'accrétion par le trou noir supermassif M87*.
  • L'EHT n'est encore qu'au début de sa carrière et de son perfectionnement, il commence donc tout juste à permettre de faire des films de l'activité des trous noirs supermassifs.
  • Ces films aideront à tester la théorie des trous noirs et à chercher une nouvelle physique.
Pour en savoir plus

Un an après le trou noir  M87*, l'EHT livre l'image d'un jet de quasar

Article de Laurent Sacco publié le 09/04/2020

Un 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 Outreach

Un jet faussement supraluminique

3C 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 VLBIVery 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 Collaboration

Bientôt des films de l'activité des trous noirs supermassifs

Enfin, 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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