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

Sciences

Première image d'un trou noir supermassif : des commentaires d'Aurélien Barrau

ActualitéClassé sous :Univers , trou noir , BlackHoleCam

On l'attendait depuis un moment et cet évènement fera date dans l'histoire de l'exploration du Cosmos par l'Humanité. La première image d'un trou noir prise avec l'Event Horizon Telescope a été dévoilée et c'est celle du trou noir supermassif au cœur de la galaxie M87. Une nouvelle fenêtre sur la gravitation quantique s'ouvre peut-être, selon Aurélien Barrau.

La séquence d'évènements semble trop belle pour être vraie. En novembre 2015, on a fêté le centenaire de la découverte de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein. L'année suivante, alors que cela faisait aussi cent ans que Karl Schwarzschild avait découvert sa solution des équations d'Einstein et qu'Einstein avait commencé à comprendre que sa théorie prédisait l'existence des ondes gravitationnelles, les membres de la collaboration Ligo-Virgo annonçaient qu'ils avaient mesuré directement sur Terre, pour la première fois, non seulement ces ondes gravitationnelles mais qu'elles provenaient de la fusion de deux trous noirs binaires, trou noir dont l'existence découlait justement des travaux de Schwarzschild.

Einstein, comme plusieurs de ses collègues, n'était pas du tout à l'aise avec la solution de Schwarzschild qui semblait physiquement pathologique bien que mathématiquement exacte. La structure de l'espace-temps qu'elle impliquait défiait en plus la compréhension, et il faudra attendre la fin des années 1950 et le début des années 1960 avec les travaux de chercheurs comme David Finkelstein, Martin Kruskal et Roger Penrose pour y voir plus clair. La singularité centrale, dont l'occurrence lors de l'effondrement d'une étoile avait été démontrée par Penrose, semblait confirmer ce qu'Einstein n'aimait pas, un effondrement de sa théorie et plus généralement de la physique avec la solution de Schwarzschild.

Le problème était même plus aigu qu'Einstein ne pouvait le prévoir, il y a presque 100 ans, en créant la cosmologie relativiste en 1917. Il s'avérera en effet par la suite, avec les travaux d’Oppenheimer et ses élèves, que 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'avaient notamment compris John Wheeler et Stephen Hawking.

Une longue présentation de la découverte faite avec l'Event Horizon Telescope. 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 ». © European Southern Observatory (ESO)

Les trous noirs, des laboratoires de cosmologie quantique

Plus tard, l'astrophysicien et prix Nobel de physique Subrahmanyan Chandrasekhar ne manqua pas de souligner qu'un trou noir de Kerr en rotation, éventuellement avec une charge, 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). Wheeler et Bryce DeWitt, l'époux de la physicienne et mathématicienne française Cécile DeWitt-Morette, entreprirent de construire une théorie quantique de la gravitation pour décrire le Big Bang et les singularités dans les solutions de la théorie de la relativité générale au cours des années 1960. Peu de temps après, Hawking allait découvrir le fameux rayonnement des trous noirs et le paradoxe de l'information, qui questionne la nature profonde de la réalité, en appliquant les lois de la mécanique quantique aux trous noirs. Il n'est pas difficile de comprendre pourquoi les physiciens 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.

Nous n'avons pas encore observé le rayonnement Hawking mais nous avons observé les ondes gravitationnelles de ce qui semble bel et bien être des trous noirs qui fusionnent. Surtout, en cette année 2019, tout porte à croire que nous avons enfin obtenu une image montrant un trou noir supermassif avec un horizon des évènements. Et que nous allons pouvoir sonder ce qui se passe très près de cet horizon dans un avenir proche avec l'Event Horizon Telescope à l'origine de cette découverte, et, dans un avenir pas si lointain, au cours des années 2030, avec la mission eLisa. Remarquablement cette année, il y aura un siècle qu'Arthur Eddington apportait la première preuve de la théorie de la relativité générale en 1919, là aussi avec les effets de la relativité générale sur la trajectoire des rayons lumineux, et 40 ans que Jean-Pierre Luminet obtenait la première image réaliste de l'aspect d'un trou noir en utilisant un ordinateur (voir l'article ci-dessous).

Sommes-nous à l'aube de la découverte de manifestations expérimentales d'une théorie de la gravitation quantique ? On peut l'espérer. Aurélien Barrau l'a expliqué à Futura à l'occasion du succès des membres de la collaboration de l'Event Horizon Telescope.

Aurélien Barrau lors d'une conférence à l'IHÉS (Paris). © Aurélien Barrau

« Nous avons d'excellentes raisons de croire que la relativité générale n'est pas une théorie définitive. Il faudrait, la "quantifier", ce qui résoudrait à la fois des problèmes de cohérence et étendrait sa capacité à décrire davantage de phénomènes. Il n'y a hélas pas consensus quant à la manière de procéder.

On suspecte depuis longtemps que le cœur des trous noirs est une zone où la gravitation quantique doit être convoquée. De très nombreuses études ont été menées pour comprendre comment cette dernière pourrait parvenir à s'affranchir des "singularités" de la relativité générale qui sont en réalité des pathologies de celle-ci.

Mais la plupart des études étaient jusqu'alors cantonnées à des effets très localisés au centre des trous et donc masquées par l'horizon. Il s'agissait par conséquent d'effets qui n'étaient pas observationnellement testables et touchaient plutôt à la cohérence interne du modèle. Récemment, le credo a évolué et plusieurs arguments intéressants laissent entendre que des corrections quantiques pourraient exister en dehors de l'horizon du trou noir ! Et cela change tout parce que la zone de l'espace-temps, soumise à des effets mesurables de gravitation quantique, pourrait maintenant être observable.

Il n'est pas certain que ces effets hors de l'horizon existent. Mais il faut noter que plusieurs approches indépendantes, utilisant des arguments assez généraux, mènent à cette conclusion. Cela ouvrirait des perspectives extraordinaires. De mon coté, je travaille sur les modes de relaxation des trous noirs dans le cadre de cette hypothèse. L'idée serait alors de voir les effets de gravitation quantique par les ondes gravitationnelles observées par Ligo et Virgo. Mais, de façon remarquable, il pourrait aussi se faire que l'ETH puisse sonder ces phénomènes.

Assez récemment, Giddings et Psaltis ont étudié les fluctuations quantiques qui existeraient hors de l’horizon et ont, pour la première fois, calculé les effets visibles et dépendant du temps qui pourraient en résulter. Ils concluent que les conséquences seraient difficilement discernables sur le trou noir au centre de notre Galaxie mais pourraient être vues autour de celui, 1.000 fois plus massif, se trouvant au centre de M87. Cela ouvre des possibilités fascinantes pour tester des hypothèses novatrices concernant les structures quantiques au voisinage des trous noirs. »

Ces déclarations font écho à celles du regretté Pierre Binétruy qui expliquait lui aussi, notamment dans la vidéo ci-dessous, que l'étude des ondes gravitationnelles et de l'environnement proche de l'horizon des évènements pourrait bien un jour nous donner des clés pour tester et comprendre une théorie quantique de la gravitation.

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter.  © Dunod

  • Depuis plusieurs années, les astrophysiciens peaufinaient un radiotélescope virtuel géant de la taille de la Terre, qui s'obtient en combinant des radiotélescopes sur plusieurs continents, pour faire de l'interférométrie à très longue base (ou VLBI, Very Long Baseline Interferometry).
  • L'objectif de l’Event Horizon Telescope (EHT) était de former une image de plus en plus résolue du trou noir supermassif de la Voie lactée et de la galaxie M87, en espérant y trouver indirectement une preuve de l'existence d'un horizon des évènements, ou pour le moins de tester la théorie de la relativité générale et les prédictions de la solution de ses équations décrivant les effets d'un trou noir de Kerr en rotation sur son environnement proche.
  • Une image en ce sens a été prise en 2017. L'analyse des données est terminée mais une seule image a pour le moment été révélée. Elle semble parfaitement conforme à celle attendue d'un trou noir décrit par la théorie de la relativité d'Einstein. Il faudra attendre encore un peu pour voir une image de Sagittarius A* dans la Voie lactée.
  • Il sera peut-être possible de tester certains aspects d'une théorie quantique de la gravitation avec l'EHT.
Pour en savoir plus

Voici la première image d’un trou noir supermassif !

Article de Laurent Sacco publié le 10/04/2019

On l'attendait depuis un moment et cet évènement fera date dans l'histoire de l'exploration du Cosmos par l'Humanité. La première image d'un trou noir prise avec l'Event Horizon Telescope a été dévoilée et c'est celle du trou noir supermassif au cœur de la galaxie M87.

Stephen Hawking et  John Wheeler ne sont plus là pour assister avec nous à l'évènement, mais plusieurs des autres pionniers de la physique des trous noirs comme Kip Thorne et Roger Penrose, si. Entré plus tardivement dans le domaine, alors que l'on était encore dans ce que certains appelaient l'âge d'or de la théorie des trous noirs, c'est l'astrophysicien et cosmologiste français Jean-Pierre Luminet qui doit éprouver un sentiment d'accomplissement profond. Les membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) viennent en effet de révéler la première image de l'aspect d'un trou noir et le moins que l'on puisse dire est qu'elle ressemble étonnamment à celle qu'il avait été le premier à calculer de façon réaliste à l'aide d'un ordinateur à la fin des années 1970. Une version plus précise sera obtenue une dizaine d'années plus tard par son collègue astrophysicien Jean-Alain Marck, hélas décédé trop tôt.

Une présentation du succès de l'Event Horizon Telescope qui vient de livrer la première image d'un trou noir, celle de celui qui est supermassif et qui se trouve au cœur de la galaxie elliptique M87 à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée. 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

Jean-Pierre Luminet a expliqué en détail, en français et en anglais sur le blog que Futura a mis à sa disposition, l'origine et les caractéristiques des images des trous noirs entourés d'un disque d'accrétion avec un plasma chaud que l'on pouvait s'attendre à voir. Il retrace aussi l'histoire de l'astrophysique relativiste à ce sujet.

Une illustration réalisée par Jean-Pierre Luminet à partir des résultats d'une simulation sur ordinateur montrant l'aspect d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion. L'effet Doppler produit par la matière chaude en rotation la rend plus lumineuse lorsqu'elle s'approche de nous à une fraction notable de la vitesse de la lumière et au contraire la rend presque sombre lorsqu'elle s'éloigne (à droite). Le champ de gravitation du trou noir est si fort que les rayons lumineux issus du disque derrière le trou noir sont courbés en direction de l'observateur et que l'on peut donc voir ce disque au-dessus du trou noir. © Jean-Pierre Luminet, CNRS Phototheque
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. L'angle de vue n'est pas le même mais la ressemblance avec le dessin réalisé par Jean-Pierre Luminet est frappante. © Event Horizon Telescope Collaboration

M87 conforte solidement l'existence des trous noirs

Comme Futura l'avait expliqué il y a quelques heures (voir l'article ci-dessous), il semble bien que la physicienne Sabine Hossenfelder avait vu juste quand elle suspectait que nous ne verrions par les deux images des trous noirs supermassifs attendues. C'est en effet celle de celui au cœur de M87 qui a été présenté lors des conférences mondiales. Dans le cas de la Voie lactée, il faudra patienter encore un peu pour avoir une image de Sagittarius A*.

Mais déjà, un résultat important a été annoncé par les chercheurs. Les caractéristiques de l'image obtenue sont remarquablement conformes à celles produites par les simulations savantes décrivant la déviation des rayons lumineux produite par un trou noir de Kerr en rotation et les émissions de la matière surchauffée sous forme de plasma plongé dans un intense champ magnétique. L'existence des trous noirs en sort donc particulièrement renforcée, ce qui n'est guère étonnant étant donné les nombreux tests déjà passés par la théorie de la relativité générale et les observations accumulées depuis quelques décennies concernant les candidats au titre de trou noir. Toutefois, il reste encore de la place pour imaginer que l'astre compact qui se comporte comme un trou noir au coeur de M87 n'en est pas vraiment un. Nous ne faisons encore aussi que débuter la recherche de signes d'une nouvelle physique, par exemple une alternative aux équations d'Einstein, pour décrire cet objet.

Les mesures de l'EHT permettent maintenant d'ailleurs de préciser la masse et la taille du trou noir supermassif de M87. Il contient environ 6,5 milliards de masses solaires et il est situé dans une région de 20 milliards de kilomètres de large, soit à peine deux fois le diamètre de notre Système solaire.

Une autre présentation du succès de l'Event Horizon Telescope. 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

Pour les curieux avec un bagage scientifique notable, six articles détaillent les découvertes faites avec l'EHT.


Trou noir supermassif de la Voie lactée : première image de Sagittarius A* dévoilée aujourd'hui ?

Article de Laurent Sacco publié le 10/04/2019

On l'attendait depuis un moment et cet évènement fera date dans l'histoire de l'exploration du Cosmos par l'Humanité. Test de la théorie de la relativité d'Einstein et de la théorie des trous noirs de Wheeler à Hawking, la première image d'un trou noir prise avec l'Event Horizon Telescope sera révélée ce mercredi 10 avril 2019 à 15 h.

Suspens, suspens... Dans quelques heures, à 15 h 00 précisément en France, la conférence organisée par la Commission européenne, le Conseil européen de la recherche et les membres de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) va lever le voile sur la question de savoir si l'Humanité est enfin arrivée à former une image d'un trou noir, en l'occurrence la silhouette de son horizon des événements.

Ne manquez pas l'événement que vous pouvez suivre en direct car il sera diffusé en ligne sur le site Web de l'ESO, par l'ERC et sur les réseaux sociaux. Le plus simple est de regarder YouTube avec le lien ci-dessous. Vous devriez alors faire partie du village global et des rares Homo sapiens de la noosphère en cours de complexification depuis plus de 100.000 ans à pouvoir regarder une image d'un trou noir, en fait deux, celui qui semble se trouver au cœur de la Voie lactée, Sagittarius A*, et celui au cœur de la galaxie elliptique géante Messier 87 alias M87.

Nous devrions être nombreux ce mercredi 10 avril 2019 à vivre cette expérience car parallèlement à celle, en anglais, retransmise depuis le siège de la Commission européenne, à Bruxelles, cinq autres grandes conférences de presse auront lieu simultanément dans le monde entier, au Chili (Santiago, en espagnol), en Chine (Shanghai, en mandarin), au Japon (Tokyo, en japonais), à Taiwan (Taipei, en mandarin) et aux États-Unis (Washington, DC, en anglais).

La conférence du 10 avril en direct. © European Commission

À l'heure du village global et du WWW, il est facile d'être en contact avec l'un des principaux astrophysiciens à l'origine du projet Event Horizon Telescope (EHT), à savoir Heino Falcke professeur à l'université de Nimègue, aux Pays-Bas. Avec ses collègues Fulvio Melia et Éric Agol, il avait déposé sur arXiv en 1999 un article dans lesquels les trois chercheurs avançaient l'idée que l'on pouvait combiner plusieurs radiotélescopes pour atteindre la résolution nécessaire pour observer la silhouette de l'horizon des événements de Sagittarius A* dont on soupçonnait déjà, depuis un moment, qu'il était un trou noir supermassif (environ 4 millions de masses solaires).

Heino Falcke va prendre la parole à Bruxelles et comme le montre son compte Twitter, l'astrophysicien est nerveux. Il explique que dans l'aéropage des chercheurs qui vont l'écouter, il n'y a rien de moins que l'un des découvreurs de l'accélération de l'expansion de l'univers observable, le prix Nobel de Physique Brian Schmidt, l'actuel directeur du mythique Institute for Advanced Study de Princeton qui employait Albert Einstein, le théoricien des supercordes Robbert Dijkgraaf et enfin le directeur de l'Observatoire du Vatican, l'astronome jésuite Guy J. Consolmagno.

On a un peu de mal à comprendre la nervosité de Heino Falcke, à moins que la physicienne Sabine Hossenfelder, bien connue de la blogosphère scientifique, n'ait vu juste quand elle explique, également sur Twitter, qu'elle a des raisons de penser que les observations menées en avril 2017 n'ont en fait permis de former pour le moment qu'une image, celle concernant M87 et que pour Sagittarius A*, il va falloir attendre encore un peu.

L'astrophysicienne et cosmologiste Céline Bœhm, actuellement directrice de l'école de physique de l'université de Sydney en Australie est quant à elle excitée par les perspectives ouvertes avec l'EHT comme on peut le voir sur son compte Twitter. En 2016, avec ses collègues Thomas Lacroix, Mansour Karami, Avery E. Broderick et le célèbre cosmologiste Joseph Silk, elle avait coécrit un article déposé sur arXiv suggérant que l'EHT pourrait bien être en mesure de mettre en évidence indirectement les particules de la matière noire autour du trou noir de M87.


Article de Laurent Sacco publié le 08/04/2019

C'est officiel depuis quelques jours déjà, ce 10 avril 2019 à partir de 15 h en France, une conférence en anglais retransmise en direct depuis le siège de la Commission européenne, à Bruxelles, mettra fin au suspense concernant les observations menées avec l'Event Horizon Telescope (EHT), un réseau international de huit radiotélescopes et observatoires parmi lesquels on trouve l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) au Chili et le radiotélescope de Pico Veleta de l'Iram situé au sud de l'Espagne, dans la Sierra Nevada.

Répartis sur toute la planète, ces radiotélescopes ont été mis à contribution pour faire de l'interférométrie à très longue base (ou VLBIVery Long Baseline Interferometry en anglais), c'est-à-dire de la synthèse d'ouverture permettant de combiner des instruments physiquement de petite taille pour obtenir l'équivalent virtuel d'un instrument de très grande taille, en l'occurrence un radiotélescope de plusieurs milliers de kilomètres de diamètre.

Une présentation de l’Event Horizon Telescope. 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 ». © EHT Outreach

EHT, un radiotélescope de la taille de la Terre

Avec un tel instrument, on peut atteindre une résolution record de l'ordre de la taille du trou noir central de notre Voie lactée, qui se signale notamment à environ 26.000 années-lumière du Système solaire par la présence de la fameuse source radio Sagittarius A* (Sgr A* en abrégé), ou encore de celle du trou noir également supermassif qui se trouve au centre de la grande galaxie elliptique M87 située à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Avec des masses respectivement de 4,3 millions et 6 à 7 milliards de masses solaires et donc des tailles des horizons des évènements respectivement de 25 millions et 36 milliards de kilomètres, ces astres compacts ont des diamètres apparent voisins ; ils sont de l'ordre de celui d'une pomme observée depuis la Terre sur la surface de la Lune. Ce sont eux que l'EHT a observé en détail en 2017 mais comme le volume de données prise à cet occasion est énorme, du temps était nécessaire pour les traiter.

Le premier objectif de l'Event Horizon Telescope - mais il en possède plusieurs - est justement de mettre en évidence autant que faire se peut l'existence de l'horizon des évènements associé à ce que nous pensons être des trous noirs décrits par les équations de la relativité générale d'Einstein. On ne peut pas avoir une preuve directe de l'existence de cet horizon simplement en tentant de photographier un trou noir. Mais ce que l'on s'attend à voir, c'est une silhouette sombre n'émettant pas de lumière par elle-même mais bloquant, ou plus exactement déviant les rayons lumineux, d'une manière bien précise, qui proviennent du disque d'accrétion chaud entourant ces astres.

Cette simple image est pourtant potentiellement riche en enseignements car sa taille et ses caractéristiques dépendent de la nature exacte de l'astre compact et très dense dont l'existence est établie au cœur des deux grandes galaxies ainsi que de la théorie de la gravitation utilisée pour les décrire. La théorie de la relativité générale d'Einstein n'est en effet pas la seule possible compatible avec la théorie de la relativité restreinte et basée sur la courbure de l'espace-temps.
 

La première image d'un trou noir, un test de la relativité générale

À défaut d'avoir une preuve directe de l'existence d'un horizon des évènements, on attend donc de l'image prise dans le domaine radio millimétrique, permettant d'atteindre une résolution 2.000 fois meilleure que celle des images prises par Hubble, qu'elle soit la plus précise possible et surtout  la plus proche de celle déduite de l'existence d'un trou noir de Kerr décrit par la théorie d'Einstein. Si l'accord est suffisamment bon, il pourrait conduire à réfuter des alternatives exotiques et plutôt peu crédibles à la théorie des trous noirs.

Mais l'image pourrait aussi confirmer l'une de ces alternatives, ou pour le moins montrer qu'il faut se servir de variantes des théories relativistes de la gravitation, comme les fameuses théories tenseur-scalaire, pour décrire des objets aussi extrêmes que des trous noirs supermassifs. Invalider la théorie d'Einstein au profit de ces variantes pourrait nous donner des clés pour résoudre les énigmes en rapport avec la matière noire et l'énergie noire. En tout état de cause, nous devrions en apprendre plus sur les disques d'accrétion autour des trous noirs et l'origine des jets de matière qui y sont associés.

La communauté scientifique s'occupant de l'astrophysique relativiste, et bien sûr de physique fondamentale, attend certainement avec impatience ce 10 avril 2019, tout comme elle attendait les fameux résultats de l'éclipse de 1919 qui ont fourni une première preuve de la théorie de la relativité générale. Mais sans aucun doute parmi ses membres, c'est l'astrophysicien et cosmologiste français Jean-Pierre Luminet qui doit être le plus fébrile.

Comme il l'a expliqué à plusieurs reprises et avec de nombreux détails sur les versions française et anglaise du blog que Futura a mis à sa disposition, il a été le premier à la fin des années 1970 à calculer sur ordinateur l'aspect visuel d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion. Presque 40 ans plus tard, nous allons tous savoir s'il avait vu juste.

Une simulation numérique basée sur des calculs en la relativité générale de l'aspect d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion chaud. Elle a été réalisée par l'astrophysicien Jean-Alain Marck en 1991. Extrait du documentaire « Infiniment courbe ». 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 ». © Auteurs : Laure Delesalle, Marc Lachieze-Rey, Jean Pierre Luminet. Réalisateur : Laure Delesalle. Production : CNRS/Arte, France (1994)


Voie lactée : l'horizon du trou noir supermassif bientôt révélé ?

Article de Laurent Sacco publié le 4 juin 2018

L'Event Horizon Telescope est une association de radiotélescopes mise en place au fil des années et qui devrait bientôt nous livrer la première image d'un trou noir et indirectement de son horizon des évènements. Les données déjà prises en 2013 ont finalement été analysées, permettant un zoom rapproché qui montre peut-être au moins déjà un disque autour du trou noir supermassif de la Voie lactée.

Ligo et Virgo ont détecté les ondes gravitationnelles prédites par la théorie de la relativité générale d'Einstein. L'analyse du signal mesuré accrédite non seulement cette théorie relativiste de la gravitation mais aussi la théorie des trous noirs, la forme de ce signal correspondant à celui généré par la fusion de trous noirs de masses stellaires. Toutefois, on ne peut encore écarter totalement l'hypothèse que la théorie d'Einstein ne représente qu'une approximation à une théorie plus profonde dans laquelle la structure dynamique de l'espace-temps est gouvernée par d'autres équations, faisant également intervenir d'autres champs que celui donnant la métrique de l'espace-temps, comme le disent dans leur jargon les physiciens relativistes.

On ne peut pas exclure totalement non plus que les trous noirs n'existent pas vraiment, dans le sens où les objets astrophysiques que l'on observe depuis quelques décennies, et qui se manifestent en grande partie comme le prédit la théorie des trous noirs, ne possèdent pas ce qui les définit. À savoir, un horizon des événements, une sorte de membrane apparente entourant une région de l'espace-temps que l'on ne peut franchir que dans un seul sens et pour un voyage sans retour (à moins qu'il ne conduise à une autre région de l'espace-temps).

La poursuite de la traque aux ondes gravitationnelles, notamment avec le futur détecteur en orbite eLisa, devrait nous permettre de confirmer ou d'infirmer aussi bien l'existence des trous noirs que la validité rigoureuse des équations d'Einstein. En attendant, Ligo et Virgo nous permettent déjà de poser des contraintes, via par exemple la polarisation des ondes gravitationnelles. Pour eLisa, qui devrait  nous donner les informations les plus spectaculaires, il faudra attendre les années 2030.

Une autre présentation de l’Event Horizon Telescope. 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

Event Horizon Telescope, un radiotélescope virtuel de la taille de la Terre

Toutefois, il existe un autre instrument qui pourrait nous faire des révélations plus tôt. Il s'agit de l'Event Horizon Telescope (EHT), comme Futura l'expliquait dans un précédent article (voir ci-dessous), un radiotélescope géant construit de manière virtuelle quand on combine par des méthodes d'interférométrie et de synthèse d'ouverture des radiotélescopes épars sur les continents. On fait alors ce que l'on appelle de l'interférométrie à très longue base (ou VLBI, Very Long Baseline Interferometry).

Un ensemble de ces télescopes a déjà effectué des observations en 2017, susceptibles de nous livrer une image à haute résolution du trou noir supermassif de la Voie lactée : Sagittarius A*. Cette image va-t-elle nous permettre d'établir l'existence d'un horizon des évènements ? Nombreux sont sans doute ceux qui retiennent leur souffle et qui s'attendent à une publication imminente des résultats.

Les membres de la collaboration EHT ont cependant fait savoir au début du mois de mai 2018 qu'il fallait encore patienter au moins quelques mois et qu'une seconde campagne de prise de données s'était déroulée. Les chercheurs veulent être sûrs qu'ils maîtrisent bien leur instrument et tous les bruits possibles qui pourraient dégrader la qualité de l'image obtenue, ce qui pourrait rendre hors d'atteinte les informations recherchées concernant une nouvelle physique de l'espace-temps et des trous noirs s'ils n'étaient pas pris en compte. Un calibrage de l'instrument se fait notamment en observant des quasars qui bien que trop lointains pour espérer y discerner ces informations sont plus brillants que notre trou noir galactique. Ce sont des sources qui ont une structure connue, ce qui permet d'estimer les effets instrumentaux et de les soustraire lorsque l'on étudie des données brutes.

Un disque de matière déjà visible autour de Sgr A* ?

Les astrophysiciens doivent aussi s'assurer des performances des techniques d'analyse et de traitement des signaux observés et combiner ceux qui ont été obtenus à diverses dates. En décembre 2017, par exemple, sont arrivées des données en provenance du pôle Sud et en avril 2018, l'EHT a ré-observé Sgr A* (ainsi que le trou noir super massif au cœur de la galaxie M 87) en utilisant pour la première fois un réseau qui incluait un télescope au Groenland. Au final, a été capturée deux fois la quantité de données enregistrées en 2017.

En 2013, l’Event Horizon Telescope était constitué d'un plus petit nombre de radiotélescopes mais il était déjà utilisé pour obtenir une image plus résolue dans le domaine radio millimétrique du trou noir supermassif supposé au cœur de la Voie lactée. Les données ont mis du temps à être analysées et elles peuvent être interprétées selon deux modèles. L'un montrant un anneau de matière (ring model) l'autre un jet de matière. © Eduardo Ros, Thomas Krichbaum (MPIfR)

En attendant, les chercheurs viennent tout de même de publier les résultats d'analyses d'observation faites avec l'EHT en cours d'élaboration en 2013. L'Event Horizon Telescope avait alors bénéficié de la mise en réseau de l'Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), un radiotélescope d'observation millimétrique inauguré en 2006 au Chili, au même endroit que l'interféromètre Alma dont il constituait un prototype (depuis, Alma participe une fois par an aux observations de l'EHT).

Une image avec une résolution dont la taille est de l'ordre de trois fois le rayon de Schwarzschild du trou noir de quatre millions de masses solaire de Sagittarius A* (soit un gain d'un facteur 2) a été synthétisée, comme l'explique l'article déposé sur arXiv. Elle est asymétrique, avec des détails dont les dimensions sont de l'ordre de 36 millions de kilomètres, et ses caractéristiques, jamais vues auparavant, peuvent s'expliquer par deux hypothèses : soit la présence de jets de matière, soit la présence du disque d'accrétion qui doit entourer le trou noir.

C'est déjà de bon augure...


L'Event Horizon Telescope va faire un zoom sur Sagittarius A*

Article de Laurent Sacco publié le 30/12/2013

L'Europe vient d'allouer 14 millions d'euros aux membres du projet BlackHoleCam, qui s'inscrit lui-même dans une collaboration mondiale du nom d'Event Horizon Telescope. Le but ? Rien de moins que la constitution d'un radiotélescope virtuel géant dont la résolution permettra d'observer l'horizon de notre trou noir supermassif central.

On va bientôt fêter le centenaire de la découverte de la relativité générale d'Einstein. Lorsqu'il a publié la forme finale de sa théorie en mars 1916, Einstein n'imaginait sans doute pas qu'elle conduirait à des découvertes aussi extraordinaires que celles du rayonnement fossile et des quasars. Malgré ces succès impressionnants, la théorie de la relativité générale ne nous apparaît pas comme aussi bien testée que la théorie de la relativité restreinte, bien que l'affaire des neutrinos transluminiques d'Opera l'a fait vaciller temporairement. Mais comme tout le monde ou presque s'y attendait, il s'agissait d'une erreur de mesure. De l'existence de l'antimatière au ralentissement des horloges en passant par la physique des particules au LHC, personne n'a encore trouvé de contradiction entre l'expérience et les conséquences de l'existence de l'espace-temps plat de Minkowski sous-jacent à la théorie de la relativité restreinte.

Le cas de la relativité générale est quelque peu différent. Il y a finalement assez peu de tests de la théorie de la gravitation d'Einstein. Surtout, ils ne s'appliquent que dans des situations où le champ de gravitation est faible, à l'exception des pulsars binaires qui ont permis de vérifier indirectement l'existence des ondes gravitationnelles. C'est pourquoi les astrophysiciens voudraient avoir accès à des processus astrophysiques où le champ de gravitation est vraiment fort. C'est le cas avec la physique des trous noirs, qui s'impose tout de suite à l'esprit.

Vue d'artiste des radiotélescopes qui seront impliqués dans les projets BlackHoleCam et Event Horizon Telescope. En effectuant de la synthèse d'ouverture par interférométrie à très grande base, il sera possible de mettre en évidence l'horizon du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. © Université Radboud de Nimègue

Horizon des évènements et métrique de Kerr

Deux prédictions fondamentales concernent les trous noirs. Prenons d'abord celle de l'existence d'un horizon des événements, c'est-à-dire une surface fermée entourant une région de l'espace d'où rien ne peut ressortir, pas même la lumière. Il s'agit là en réalité de la véritable définition d'un trou noir, et pas du tout le fait qu'il soit éventuellement un astre très dense ou qu'existe à l'intérieur de l'astre une singularité de l'espace-temps. La seconde prédiction concerne la géométrie de l'espace-temps autour d'un trou noir, et la façon dont il se comporte lorsqu'on le perturbe, par exemple à l'occasion d'une fusion avec un autre trou noir. Cette géométrie doit être décrite par la fameuse solution de Kerr décrivant un trou noir en rotation. Elle est totalement fixée lorsque l'on connaît la masse et le moment cinétique du trou noir. Ce n'est pas le cas pour un astre comme la Terre ou le Soleil, car il faut tenir compte du caractère inhomogène de ces astres au moyen de ce qu'on appelle des développements multipolaires du potentiel de gravitation.

Il existe un moyen puissant pour tester ces deux prédictions de la physique des trous noirs : celui de l'astronomie gravitationnelle. L'Europe compte bien se tailler la part du lion dans cette discipline avec le projet eLisa. Toujours dans le but de démontrer l'existence des trous noirs, c'est-à-dire la présence d'un horizon des événements, le Conseil européen de la recherche vientt d'attribuer 14 millions d'euros à une équipe d'astrophysiciens européens qui s'est lancée dans le projet BlackHoleCam. Celui-ci s'insère dans une collaboration internationale du nom d'Event Horizon Telescope.

Si la théorie de la relativité générale est la bonne description relativiste de la gravitation, le trou noir central de la Voie lactée doit être décrit par la métrique de Kerr. Le radiotélescope virtuel de la collaboration Event Horizon Telescope devrait alors former l'image que l'on voit ici, obtenue par simulation numérique. © D. Psaltis, A. Broderick

Trou noir, trou de ver ou gravastar ?

L'idée de base consiste à faire de la synthèse d'ouverture par interférométrie avec des radiotélescopes répartis sur la Terre, comme Alma ou ceux de l'Institut de radioastronomie millimétrique (Iram). De cette façon, on peut atteindre dans le domaine des ondes radio une résolution extraordinaire, qui permettrait dans le visible d'observer une pomme à la surface de la Lune depuis la Terre. Avec un tel radiotélescope virtuel de grande taille, on peut théoriquement obtenir une image de l'horizon des événements du trou noir supermassif de la Voie lactée.

Nous sommes certains que Sagittarius A* est un objet très particulier depuis que nous l'avons mis en évidence en utilisant les mouvements des étoiles autour de cette source radio au cœur de notre Galaxie. Les chercheurs savent qu'il s'agit d'un objet de petite taille, mais contenant l'équivalent de quatre millions de masses solaires et ne rayonnant pas dans le visible. La seule explication vraiment convaincante de son existence est celle d'un trou noir, mais il nous manque la preuve définitive, qui serait l'observation d'un horizon des événements. Il reste encore quelques alternatives très exotiques qui ne sont pas des trous noirs, comme les gravastars ou encore les trous de ver.

Si la théorie de la relativité générale n'est pas la bonne description relativiste de la gravitation, la métrique de Kerr pour un trou noir en rotation ne doit pas décrire correctement le trou noir supermassif de notre Galaxie. Le radiotélescope virtuel de la collaboration Event Horizon Telescope pourrait alors former l'image que l'on voit ci-dessus, obtenue par simulation numérique à partir d'une modification possible de la métrique de Kerr. © D. Psaltis, A. Broderick

Mais si Sagittarius A* est effectivement un trou noir supermassif entouré par un disque d'accrétion, le rayonnement radio qui y est produit près de l'horizon du trou noir doit être affecté de façon significative par son horizon. Si l'on arrive bien à atteindre une résolution d'une taille inférieure à deux fois le rayon de Schwarzschild du trou noir, on devrait alors voir en quelque sorte l'ombre du trou noir dans son rayonnement radio, ou plus exactement une zone sombre entourée par un anneau brillant caractéristique. Cette zone résulte du fait que l'horizon des événements bloque et absorbe une partie des émissions radio aux abords du trou noir.

Au-delà de la relativité générale avec la VLBI ?

Les chercheurs se proposent de faire encore mieux. Les pulsars peuvent être vus comme des horloges naturelles très précises, sensibles au champ de gravitation d'un trou noir supermassif ainsi qu'aux champs magnétiques que celui-ci génère en accrétant de la matière. On ne connaît pour le moment qu'un seul pulsar proche de Sagittarius A*, mais avec le projet Event Horizon Telescope, on compte bien en découvrir d'autres.

Quand cela sera fait, la puissance des ordinateurs modernes permettra de combiner les observations des orbites des étoiles autour de notre trou noir central avec les mesures obtenues par interférométrie à très longue base (very long baseline interferometry ou VLBI en anglais) concernant son ombre et les pulsars qui l'entourent. On aura donc une bien meilleure connaissance de la nature de Sagittarius A*. Cela permettra, via le comportement de la matière et de la lumière, de faire passer de nouveaux tests aussi bien à la relativité générale qu'à la théorie des trous noirs, et cela avant la mise en service d'eLisa. D'ici là, on peut aussi imaginer que les travaux concernant la matière noire et Mond nous aient déjà forcés à adopter une nouvelle théorie relativiste de la gravitation.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Stephen Hawking, l'astrophysicien qui a fait aimer la science  Le grand physicien Stephen Hawking est décédé le 14 mars 2018. Véritable légende de la physique, il fut aussi un très talentueux vulgarisateur. Retour sur la vie hors du commun de ce savant qui a su se faire aimer du public et rendre accessible ses travaux de recherche scientifique : trous noirs, théorie des supercordes, rayonnement de Hawking, théorèmes sur les singularités... La science lui dit un immense merci.