Les astrophysiciens ont obtenu la première image d'un trou noir en utilisant les observations du télescope Event Horizon du centre de la galaxie M87. L'image montre un anneau lumineux formé par la lumière qui se courbe de manière intense autour d'un trou noir 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. Cette image recherchée depuis longtemps fournit la preuve la plus solide à ce jour de l'existence de trous noirs supermassifs et ouvre une nouvelle fenêtre sur l'étude des trous noirs, de leurs horizons d'évènements et de la gravité. © Event Horizon Telescope Collaboration

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Des images de trous noirs plus détaillées avec des radiotélescopes dans l'espace

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Dans un avenir proche, les images de trous noirs supermassifs prises avec l'Event Horizon Telescope pourront être détrônées par des radiotélescopes en orbite dans le cadre du projet Event Horizon Imager. On s'attend même à avoir des films montrant l'activité dans le disque d'accrétion autour du trou noir central de la Voie lactée Sgr A*.

Tout comme Ligo et Virgo, le projet de l'Event Horizon Telescope (EHT) est déjà un triomphe éclatant de la technologie et de la science de l'Humanité alors que ces machines et les collaborations internationales qui les animent n'en sont encore qu'à leurs premiers pas. Notre connaissance de l'astrophysique et de la physique fondamentale des trous noirs devrait faire des bonds de géant dans les deux décennies à venir car non seulement d'autres combinaisons de détecteurs d'ondes gravitationnelles et de radiotélescopes sont prévues au cours des années 2020/2030 mais on attend aussi des machines encore plus performantes qui, elles, seront dans l'espace.

Il y aura bien sûr eLisa pour les ondes gravitationnelles mais les astrophysiciens travaillent aussi sur le concept de l'Event Horizon Imager (EHI) comme l'atteste un article en accès libre sur arXiv provenant de chercheurs de l'université Radboud de Nimègue, aux Pays-Bas, et de l'ESA.

Rappelons que la clé de la performance de l'EHT, pour l'obtention d'une image de l'ombre du trou noir supermassif M87* à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée, est la possibilité de faire de la synthèse d'ouverture par interférométrie. On peut alors combiner des radiotélescopes à la surface de la Terre pour faire des observations équivalentes à une seule parabole dont le diamètre est comparable à celui de la Terre.

La toute première image d’un trou noir a été obtenue à partir de l’Event Horizon Telescope (EHT), un réseau de huit radiotélescopes sur quatre continents différents. Cette image n’aurait pu être obtenue sans le télescope de 30 mètres de l’Iram, l’antenne unique la plus sensible de ce réseau et la seule station d’observation en Europe à participer à la campagne d’observation 2017. 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 ». © Iram films

La résolution de l'Event Horizon Imager sera cinq fois celle de l'EHT

En ajoutant des radiotélescopes, on peut obtenir une meilleure qualité d'image mais on peut aussi grimper en résolution en faisant des observations à des fréquences plus élevées, et donc des longueurs d'ondes plus courtes, comme le montre le fameux critère de Rayleigh pour les effets de diffraction avec un télescope (dans le visible ou dans le domaine radio par exemple). Mais dans certains cas, il faut aller dans l'espace car l'atmosphère peut bloquer le rayonnement électromagnétique des astres dans certaines bandes de fréquences, ou simplement rendre impossible d'exploiter la résolution théorique d'un instrument du fait des effets de la turbulence, ce qui explique par exemple la mise en orbite de télescope comme Spitzer ou Hubble.

L'autre intérêt à envoyer des radiotélescopes ou des détecteurs d'ondes gravitationnelles dans l'espace, c'est de pouvoir augmenter la taille effective de l'instrument. Ainsi, avec le fameux Radioastron, il était possible de faire de la synthèse d'ouverture comme si l'on disposait d'un radiotélescope de plus de 300.000 kilomètres de diamètre.

L'Event Horizon Imager (EHI) se propose de jouer sur ces deux tableaux avec trois radiotélescopes en orbite terrestre moyenne, encore appelée orbite circulaire intermédiaire ou MEO (Medium Earth Orbit, en anglais). Rappelons qu'il s'agit d'une orbite autour de la Terre située entre 2.000 et 35.786 kilomètres d'altitude, soit au-dessus de l'orbite terrestre basse et en dessous de l'orbite géostationnaire. En l'occurrence, les radiotélescopes de l'EHI devraient être sur des orbites dont les rayons seraient d'environ 14.000 kilomètres. Affranchies de l'atmosphère, des observations à des fréquences plus élevées, jusqu'à 690 GHz environ, seraient possibles, ce qui permettrait notamment de voir plus facilement et plus clairement le trou noir supermassif de la Voie lactée, Sgr A*, dont l'étude s'est révélée plus difficile que prévu dans l'état actuel de l'EHT.

Dans l'espace, la résolution de l'EHI est plus de cinq fois supérieure à celle de l'EHT sur Terre et les images peuvent être reconstruites avec une plus grande fidélité. En haut à gauche, une simulation de Sgr A* à une fréquence d'observation de 230 GHz. En haut à droite, une simulation d'une image avec l'EHT. En bas à gauche, une simulation de Sgr A* à une fréquence d'observation de 690 GHz. En bas à droite, une simulation d'une image avec l'EHI. © Université Radboud

Avec l'EHI, on devrait gagner en résolution au moins d'un facteur 5, ce qui permettra aussi d'observer d'autres trous noirs supermassifs. Ce gain devrait bien sûr permettre de tester plus précisément les théories de la gravitation relativiste qui sont des alternatives à la théorie d'Einstein ainsi que les théories qui postulent la présence d'autres objets que les trous noirs pour rendre compte des observations de M87* et Sgr A*.

Les chercheurs ne dissimulent pas qu'il y a plusieurs obstacles à résoudre avant d'en arriver là. Comme dans le cas de l'EHT sur Terre, il faut pouvoir transmettre d'immenses volumes de données et dans le cas de l'EHI, il faudrait faire intervenir des faisceaux lasers, une technologie que l'on emploie déjà. Un autre défi est qu'il faudra disposer de déterminations précises des positions et des vitesses des radiotélescopes.

Enfin, en combinant l'EHT avec l'EHI, on devrait même pouvoir obtenir de véritables films montrant l'aspect turbulent du plasma autour des trous noirs supermassifs.

Une simulation réalisée montrant l'aspect du plasma tourbillonnant autour du trou noir supermassif de notre Galaxie 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. © J. Davelaar, T. Bronzwaer, D. Kok, Z. Younsi, M. Moscibrodzka, & H. Falcke BlackHoleCam, Radboud University Nijmegen, Goethe University Frankfurt

  • La résolution d'un télescope augmente avec la taille de son miroir et la fréquence des ondes électromagnétiques qu'il observe.
  • Pour obtenir l'équivalent d'un radiotélescope de plus grande taille que la Terre et dans une bande de fréquences qui n'est pas bloquée par l'atmosphère, il faut donc aller dans l'espace afin de faire de la synthèse d'ouverture par interférométrie avec des satellites sur des orbites de grandes tailles.
  • C'est le but du projet Event Horizon Imager qui devrait permettre de voir avec une résolution cinq fois supérieure à celle de l'Event Horizon Telescope ce qui se passe aux abords de plusieurs trous noirs supermassifs, en particulier celui de la Voie lactée Sgr A*.
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