Les trous noirs avalent toute la lumière et sont donc invisibles. Heureusement, ce qui semble admirable est un peu différent pour les astronomes en pratique, étant donné que les trous noirs sont entourés de disques de gaz incandescent et se détachent donc sur le fond sombre, comme un chat noir sur un sofa blanc. Ainsi, pour la première fois, le télescope Event Horizon a réussi à photographier un trou noir.
Ce réseau mondial de huit radiotélescopes terrestres s’est rendu dans la galaxie Messier 87, à quelque 55 millions d’années-lumière de là. Des chercheurs de l’Institut Max Planck de radioastronomie et de l’Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM) participent également à l’observation.
En avril 2017, les scientifiques ont connecté pour la première fois huit télescopes dans le monde, formant un télescope virtuel dont l’ouverture était proche du diamètre de la Terre. L’interférométrie à large base (VLBI) est le nom donné à cette technique, dans laquelle les signaux des antennes individuelles sont pour ainsi dire superposés. Cette synchronisation se fait à l’aide d’horloges atomiques de haute précision à la nanoseconde. Il peut atteindre une résolution angulaire extrême de moins de 20 microsecondes d’arc ; si nos yeux avaient une telle capacité, nous pourrions voir les molécules individuelles dans nos mains.
Le télescope Event Horizon (EHT), entre autres, comprenait le miroir IRAM de 30 mètres en Espagne et le télescope APEX au Chili, auquel participe l’Institut Max Planck de radioastronomie. Au total, les télescopes ont enregistré environ quatre pétaoctets de données pour les seules observations de 2017, à tel point que leur envoi par la poste est en fait plus rapide et plus efficace que leur envoi par Internet. Les données mesurées ont été calibrées et évaluées à l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn à l’aide d’un supercalculateur, le corrélateur.
« Les résultats nous donnent pour la première fois une vision claire d’un trou noir super-massif et marquent une étape importante dans notre compréhension des processus fondamentaux qui régissent la formation et l’évolution des galaxies dans l’univers », déclare Anton Zensus, directeur de l’Institut Max Planck à Bonn et président du EHT Collaborative Council. Il est à noter que dans ce projet, les observations astronomiques et l’interprétation théorique auraient permis d’obtenir le résultat souhaité plus rapidement que prévu.
Selon Karl Schuster, directeur de l’IRAM, le succès repose sur des décennies d’expérience européenne en astronomie millimétrique : « Déjà dans les années 1990, l’Institut Max Planck de Bonn et notre institut ont démontré avec leurs deux observatoires que, techniquement et scientifiquement parlant, nous disposons d’une méthode unique avec des observations radio haute résolution pour analyser l’environnement immédiat des trous noirs super-massifs ». L’IRAM, une installation cofinancée par la Max Planck Society, a participé activement à la campagne avec le télescope de 30 mètres. Ce télescope, de par sa situation en Europe et son extraordinaire sensibilité, a joué un rôle crucial dans le succès de l’observation EHT.
Le cœur de la galaxie supermassive M 87 possède deux propriétés particulières qui en font un candidat idéal pour le projet ; il est très visible en raison de sa nature inhabitée et de sa proximité avec la terre et, par conséquent, un objet d’étude parfait pour les scientifiques qui, avec le réseau mondial des télescopes, disposent enfin d’un instrument pour observer directement un objet ainsi que le mystère.
Les régions autour des trous noirs supermassifs sont exposées aux conditions les plus extrêmes que nous connaissions dans l’espace. Les trous noirs sont des objets cosmiques fascinants qui englobent une masse totale incroyable dans un petit espace. Leur masse et donc leur attraction sont si grandes que même la lumière ne peut leur échapper. Par conséquent, ils restent noirs, et il est impossible de les percevoir directement.
La seule façon de voir les trous noirs, c’est de projeter votre « ombre ». Ceci est causé par la diffraction extrêmement forte de la lumière, et juste avant qu’elle ne disparaisse irrévocablement dans le trou noir. Les observations radio à haute résolution dans le domaine des ondes millimétriques permettent aux astronomes de pénétrer sans encombre des nuages denses de poussière et de gaz jusqu’aux bords des trous noirs.
L’image récemment publiée a été obtenue à une longueur d’onde de 1,3 millimètre et montre clairement une structure annulaire avec une région centrale sombre, seulement l’ombre du trou noir. Autour de cet objet massif et compact, un plasma de gaz chaud se déplace à grande vitesse. La structure annulaire de l’image n’est rien de plus que la matière chauffée autour du monstre de masse, dont la lumière se redirige et s’amplifie comme à travers une lentille. Après un voyage d’environ 55 millions d’années-lumière, il rencontre les télescopes du réseau EHT.
Le lieu d’origine, M 87, est une galaxie elliptique géante près du centre de l’amas de galaxies de la Vierge. Charles Messier inscrit l’objet numéro 87 à son catalogue en 1781. La galaxie est également connue comme une source radio puissante et très active appelée Vierge A. De son noyau, au moins 5000 années-lumière de matière jet sont tirées, qui accélère dans le disque d’accrétion du trou noir au centre et coule sous la forme d’un faisceau fortement focalisé perpendiculaire à ce disque à grande vitesse.
L’ombre en dit long sur la nature de la machinerie centrale et permet aux chercheurs de déterminer avec précision la masse énorme du trou noir de M 87, soit 6,5 milliards de masses solaires. Cette valeur coïncide bien avec celle obtenue dans d’autres observations.
« Pendant des décennies, nous n’avons pu tester les trous noirs qu’indirectement », explique Michael Kramer, directeur de l’Institut Max Planck de radioastronomie. Puis, il y a quelques années, des détecteurs ont mesuré pour la première fois les ondes gravitationnelles, provoquant la fusion des effets des trous noirs dans le son de l’espace-temps. « Maintenant, nous pouvons enfin les voir et avoir l’opportunité d’explorer ces objets exotiques et leur courbure spatio-temporelle extrême avec toute leur fascination d’une manière unique », dit le scientifique, un des directeurs exécutifs de BlackHoleCam. Ce projet fait partie de l’EHT, qui regroupe environ 200 chercheurs.
Les observations se poursuivent. Depuis fin 2018, NOEMA, deuxième observatoire de l’IRAM dans les Alpes françaises, fait également partie du réseau mondial. Avec ses douze antennes très sensibles, cet observatoire sera le plus puissant de l’EHT de l’hémisphère nord. « Grâce à NOEMA, nous allons pouvoir passer à une nouvelle gamme de sensibilité et ainsi obtenir des informations encore plus fascinantes », déclare Karl Schuster.
Pour Anton Zensus, le succès signifie un tournant dans l’astronomie. « À l’avenir, les chercheurs qui vont bien au-delà de notre domaine de recherche se souviendront clairement d’un moment avant et après cette découverte », dit le directeur de Max Planck. Selon lui, les astronomes comprendront mieux les centres galactiques et obtiendront une image complète de la formation et de l’évolution des galaxies actives. De plus, la théorie générale de la relativité sera soumise à l’épreuve de l’acide. « Parce que les trous noirs sont un laboratoire idéal pour les mesures gravimétriques. »
