Le champ de gravitation d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion chaud et lumineux déforme fortement l'image de ce disque. Cette image, extraite d'une simulation, montre ce que verrait un observateur s'approchant de l'astre compact selon une direction légèrement inclinée au-dessus du disque d'accrétion. La partie du disque située derrière le trou noir semble tordue à 90° et devient visible. Jean-Pierre Luminet a fait la première simulation de ces images en 1979. © Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

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

ActualitéClassé sous :Univers , trou noir , BlackHoleCam

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 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

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 VLBIVery 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...

  • Depuis plusieurs années, les astrophysiciens peaufinent 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 est de former une image de plus en plus résolue du trou noir supermassif de la Voie lactée en espérant y trouver indirectement une preuve de l'existence d'un horizon des évènements et donc une preuve de l'existence des trous noirs.
  • Une image en ce sens a peut-être été prise en 2017 mais l'analyse des données est encore en cours. Une autre image, moins précise, a cependant été prise en 2013 et son analyse est terminée.
  • Elle montre déjà ce qui pourrait être un disque de matière autour du trou noir, à moins que ce ne soit la présence de jets de matière.
Pour en savoir plus

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.

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