Au centre d'une galaxie appelée Messier 87, à environ 55 millions d'années-lumière, autour de laquelle se trouve toute la matière de la galaxie, se trouve un monstre: un trou noir supermassif. Avec près de 6, 5 milliards de fois la masse du soleil, le trou noir au centre de M87 est si dense que sa vitesse de fuite, ou la vitesse nécessaire pour échapper à la gravité de l'objet, est supérieure à la vitesse de la lumière. En conséquence, même les photons de lumière ne peuvent pas s'échapper une fois qu'ils se sont trop éloignés.
Mais ne laissez pas le nom «trou noir» vous tromper. «En tant que paradoxe de la nature, les trous noirs, qui empêchent la lumière de s'échapper, comptent parmi les objets les plus brillants de l'univers», déclare Shep Doeleman, chercheur principal au Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian et directeur du projet Event Horizon Telescope (EHT), un effort international visant à imager directement un trou noir supermassif avec des télescopes à travers le monde.
Aujourd'hui, le projet EHT, comprenant huit observatoires et plus de 60 institutions scientifiques dans plus de 20 pays, a publié la première image d'un trou noir. "C'est la première fois que je vois cette image pour le moment", a déclaré France Córdova, directrice de la National Science Foundation (NSF), lors d'une conférence de presse au National Press Club. «Et cela m'a fait pleurer aux yeux. C'est une très grosse affaire."
Six articles scientifiques ont également été publiés aujourd’hui dans l’ Astrophysical Journal, détaillant les premières observations directes d’un trou noir.
Bien que la lumière ne puisse échapper au trou noir, une sorte de bordure entoure chaque trou noir, appelé horizon des événements. Toute matière qui traîne au-delà de l'horizon des événements est consumée par le trou noir, mais lorsque les gaz s'accumulent juste en dehors de l'horizon des événements, ils sont chauffés à des centaines de milliards de degrés, émettant une quantité énorme de rayonnement à travers la galaxie. L'horizon des événements autour du trou noir de la M87 s'étend sur environ 1, 5 jour-lumière, soit environ 40 milliards de kilomètres, soit à peu près la même taille que notre système solaire.
"Ce que l’on attend si vous voyez un trou noir supermassif au centre d’une galaxie, et nous pensons qu’ils existent au centre de la plupart des galaxies, c’est que la gravité intense entraîne le gaz se trouvant à proximité vers le trou noir et se lever, dit Doeleman. "Vous essayez de comprimer beaucoup de gaz dans le volume le plus petit que vous puissiez imaginer ... et tout ce gaz très très chaud émet de la [lumière]."
Après des années de planification par plus de 200 scientifiques internationaux, les données censées montrer la toute première image d'un trou noir sont prêtes. L’équipe se réunit pour le grand spectacle, c’est un moment sismique en astrophysique.Les observations du trou noir au centre de M87 révèlent qu'il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Au bas de l'image, là où l'anneau de lumière est plus lumineux, la rotation du trou noir se déplace vers nous, tandis que la partie de l'anneau située en haut de l'image s'éloigne.
Prendre une photo du gaz brûlant qui entoure l'horizon des événements d'un trou noir, que les astronomes appellent «son ombre» ou sa «silhouette», n'a pas été une tâche facile. Le trou noir M87 est au centre de la galaxie, voilé derrière des étoiles brillantes et de grandes étendues de gaz et de poussière. Pour capturer les photons de lumière qui parviennent à échapper au puits gravitationnel du trou noir supermassif, attirés vers l'horizon des événements avant de survoler 55 millions d'années-lumière via M87 et à travers l'espace intergalactique vers la Terre, les astronomes ont relié télescopes jamais construits pour, en un sens, construire un télescope de la taille de la Terre.
«Il existe un champ spécial appelé interférométrie sur la très longue base, dans lequel vous associez des antennes paraboliques dans le monde entier et obtenez des grossissements extrêmement élevés», explique Doeleman. Les observatoires de radioastronomie, du télescope du pôle Sud au télescope du Groenland, ont contribué ou contribueront à l'observation de l'ISE. "Avec la technique VLBI, où vous faites de la Terre entière un télescope, vous devez relier des antennes de part et d'autre de la Terre à l'aide d'un réseau d'horloges atomiques, et c'est ce que nous faisons."
Le télescope Event Horizon a collecté les données de la première image de trou noir en 2017. En utilisant des horloges atomiques pour aligner les observations dans le temps et des supercalculateurs pour compiler les pétaoctets de données, les scientifiques peuvent atteindre efficacement la résolution d'un télescope de la taille de la Terre. pas la capacité de collecte de lumière, de sorte que la technique ne peut être utilisée que pour observer des objets très brillants. VLBI ne peut capter que les ondes radio sur les surfaces des antennes, qui tournent constamment avec la Terre, gardant ainsi un œil sur le centre de M87.
Le grand réseau millimétrique / submillimétrique d’Atacama (ALMA), situé dans le nord du Chili, avec la Voie lactée visibleESO / Y. Beletsky dans le ciel. ALMA est l'observatoire radio le plus puissant du réseau Event Horizon Telescope. (ESO / Y. Beletsky) «Vous pouvez considérer ces télescopes comme de petits morceaux d’argent sur un miroir de la taille de la Terre. Lorsqu'ils se déplacent, ils tracent des lignes de réflectivité. Vous finissez donc par tisser ou faire tourner un télescope de la taille de la Terre, presque en construction. une toile comme le fait une araignée », déclare Doeleman.
Les télescopes collectent des ondes radio extrêmement haute fréquence (EHF), une lumière presque infrarouge sur le spectre électromagnétique, avec une longueur d'onde de 1, 3 millimètre. La fréquence est "tout à fait parfaite" pour effectuer le voyage d'un bout à l'autre du fond d'un trou noir à nos antennes paraboliques, dit Doeleman. Les observatoires se tournent généralement vers M87 la nuit et pendant les mois de mars et avril, lorsque les vapeurs d’eau atmosphérique sont à leur plus bas niveau.
Le télescope Horizon des événements a également observé le Sagittarius A *, le trou noir supermassif au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée. Le Sagittaire A * (prononcé «Sagittarius A-star») est un trou noir supermassif beaucoup moins actif que celui situé au centre de M87. Positionné à environ 26 000 années-lumière de distance, le Sagittaire A * est suffisamment petit pour apparaître à peu près de la même taille dans le ciel que le beaucoup plus éloigné M87.
De nombreux scientifiques pensent que les trous noirs ont un sens dans le domaine de la physique théorique, mais ne pourraient pas exister dans la vie réelle. Capturer une image d'un trou noir changerait tout cela.En plus de l'horizon des événements rougeoyant autour du trou noir M87, l'objet éjecte des jets de matériau de ses pôles vers l'espace. "Vous obtenez ces jets de particules relativistes, parce que bien sûr, ils sont très très énergétiques, et peuvent s'écouler pendant des dizaines de milliers d'années-lumière", déclare Doeleman. "Ils peuvent parcourir toute la galaxie, et c'est cette libération d'énergie à l'échelle galactique qui peut changer l'apparence de toute une galaxie."
L'énergie des jets sortant d'un trou noir supermassif est déterminée par la quantité de matière consommée par le trou noir, ainsi que par sa rotation, son champ magnétique et d'autres propriétés. «Les jets transportent l'équivalent de 10 milliards de supernova en énergie», a déclaré Sera Markoff, membre du conseil scientifique de l'ISE et professeur à l'université d'Amsterdam, lors de la conférence de presse. «Ces dolines bizarres dans la structure de l'espace-temps ont beaucoup de conséquences en elles-mêmes», a déclaré Markoff. Lorsqu'un trou noir vomit d'énormes quantités d'énergie, il empêche les gaz autour de l'horizon des événements de former de nouvelles étoiles, bloquant ainsi la croissance des galaxies.
Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, au centre d'un trou noir se trouve un point de singularité où toute la matière de l'objet est condensée dans un volume si petit que la densité est essentiellement infinie. À ce stade, les lois connues de la physique sont supposées s’effondrer. Plus près de l'horizon des événements, cependant, les scientifiques examineront la forme de la silhouette du trou noir pour tester les lois de la relativité.
«Je dois admettre que j'étais un peu abasourdi que cela corresponde si étroitement aux prédictions que nous avions faites», a déclaré Avery Broderick, astrophysicien à l'EHT et professeur associé à l'Université de Waterloo, lors de la conférence de presse. "C'est gratifiant mais aussi un peu dérangeant."
La forme de la lumière autour du trou noir, appelée anneau de photons où la lumière tourne autour du centre, constitue le test le plus intensif des théories de la gravité d'Einstein.
«L'une des raisons pour lesquelles vous voyez cet anneau de lumière est que c'est l'orbite sur laquelle les photons sont contraints de se déplacer en cercle autour du trou noir», explique Doeleman. «C’est vraiment extraordinaire. Vous prenez un objet tel qu’un photon qui se déplace aussi rapidement que tout peut aller dans l’univers, le plus rapidement possible, puis vous réalisez qu’un objet appelé trou noir permet de plier le rayon lumineux un cercle complet. Et c'est essentiellement ce que vous voyez. … Et si vous parcourez les équations d'Einstein, c'est une orbite très spéciale.
En voyant l'anneau autour d'un trou noir, son ombre se découpant sur le cosmos, a confirmé que la physique théorique posée il y a plus de 100 ans est toujours d'actualité «dans l'un des laboratoires les plus extrêmes que l'univers puisse nous fournir».
«Franchement, je pense que cela prouve à l’esprit humain que nous sommes en mesure de le réaliser», déclare Doeleman.
Black Hole Hunters sera présenté en première le vendredi 12 avril à 21 heures sur Smithsonian Channel.
