Note du rédacteur en chef, 23 septembre 2008: le magazine Smithsonian décrivait l'astrophysicien Andrea Ghez en avril 2008. Aujourd'hui, Ghez est l'une des 28 récipiendaires d'une prestigieuse subvention du génie MacArthur, reconnaissant sa contribution à l'étude des trous noirs dans l'évolution des galaxies.
De cette histoire
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Des chercheurs dirigés par Andrea Ghez, astrophysicien à UCLA, ont utilisé des images prises au télescope prises entre 1995 et 2006 pour créer cette animation montrant le mouvement d'étoiles sélectionnées au centre de la Voie lactée. Les orbites de ces étoiles et les calculs effectués à l'aide des lois de Keplers sur le mouvement des planètes fournissent la meilleure preuve à ce jour de l'existence d'un trou noir au centre de la Voie Lactée. On notera en particulier l'étoile S0-2, qui orbite autour du trou noir tous les 15, 56 ans, et l'étoile S0-16, située dans une plage de 90 unités astronomiques (distance entre la Terre et le Soleil) du trou noir.
Vidéo: La voie lactée bouge
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Dans environ quatre milliards d’années, les galaxies de la Voie lactée et d’Andromède vont s'écraser ensemble. Visualisation: NASA, ESA et F. Summers, STScI Crédit: Simulation: NASA, ESA, G. Besla, Université de Columbia et R. van der Marel, STScI
Vidéo: Que se passe-t-il lorsque les galaxies se rencontrent?
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- À l'intérieur des trous noirs
Depuis le sommet du Mauna Kea, à plus de 300 mètres au-dessus de l'océan Pacifique, la Voie lactée s'incline dans le ciel nocturne avec une vue plongeante sur notre galaxie. La poussière recouvre des parties du grand disque et au-delà d'une de ces taches poussiéreuses, près de la théière de la constellation du Sagittaire, se trouve au centre de la Voie lactée. Caché se cache une structure profondément mystérieuse autour de laquelle tournent plus de 200 milliards d'étoiles.
Derrière moi, au sommet des rochers escarpés de ce volcan en sommeil sur l'île d'Hawaï, se trouvent les dômes jumeaux de l'observatoire WM Keck. Chaque dôme abrite un télescope avec un miroir géant de près de 10 mètres de large et, comme un œil de mouche, composé de segments imbriqués. Les miroirs sont parmi les plus grands au monde pour la lumière des étoiles et l'un des télescopes a été équipé d'un nouvel outil éblouissant qui augmente considérablement sa puissance. Je regarde le plus proche des bras en spirale gracieux de la Voie Lactée alors que j'attends que les techniciens activent l'interrupteur.
Puis, soudainement et avec le léger déclic d’un volet roulant qui s’ouvre, un rayon laser or-orange jaillit dans le ciel depuis le dôme ouvert. Le rayon de lumière, 18 pouces de large, semble se terminer dans l’un des points les plus noirs de la Voie Lactée. Il se termine en réalité à 55 miles au-dessus de la surface de la Terre. Le signal qu'il émet à cet endroit permet au télescope de compenser le flou de l'atmosphère terrestre. Au lieu d’images tremblantes maculées par les rivières d’air qui se déplacent constamment au-dessus de nos têtes, le télescope produit des images aussi nettes que celles obtenues par les satellites dans l’espace. Keck a été l'un des premiers observatoires à être équipé d'un guide laser; maintenant, une demi-douzaine d'autres commencent à les utiliser. La technologie offre aux astronomes une vue nette du noyau de la galaxie, où les étoiles sont emballées aussi étroitement qu'un essaim d'été de moucherons et tourbillonnent autour de l'endroit le plus sombre de tous: un trou noir géant.
Le trou noir de la Voie lactée est sans aucun doute la chose la plus étrange de notre galaxie: une cavité tridimensionnelle dans l’espace, dix fois supérieure à la taille de notre soleil et quatre millions de fois la masse, une fosse virtuelle sans fond où rien n’échappe. On pense maintenant que toutes les grandes galaxies ont un trou noir au centre. Et pour la première fois, les scientifiques pourront étudier les ravages causés par ces entités époustouflantes. Au cours de cette décennie, les astronomes de Keck suivront des milliers d'étoiles prises dans la gravité du trou noir de la Voie lactée. Ils essaieront de comprendre comment naissent les étoiles à proximité et comment elle déforme le tissu de l'espace lui-même. "Je trouve incroyable de voir des étoiles fouetter autour du trou noir de notre galaxie", a déclaré Taft Armandroff, directeur de l'observatoire Keck. "Si vous m'aviez dit en tant qu'étudiant diplômé que je verrais cela pendant ma carrière, j'aurais dit que c'était de la science-fiction."
Certes, la preuve des trous noirs est entièrement indirecte; les astronomes n'en ont jamais vu. La théorie générale de la relativité d'Albert Einstein prédit que la gravité d'un corps extrêmement dense pourrait courber un rayon de lumière si sévèrement qu'il ne pourrait pas s'échapper. Par exemple, si quelque chose avec la masse de notre soleil était réduit en boule de 1, 5 km de diamètre, il serait suffisamment dense pour capter la lumière. (Pour que la Terre devienne un trou noir, il faudrait que sa masse soit réduite à la taille d'un pois.)
En 1939, J. Robert Oppenheimer, l'homme à l'origine du développement de la bombe atomique, calcula qu'une compression aussi radicale pouvait arriver aux plus grandes stars après une panne d'hydrogène et d'autres carburants. Une fois que les étoiles se sont éclaboussées, selon Oppenheimer et son collègue, le gaz restant s'effondrerait du fait de sa propre gravité en un point infiniment dense. Les observations de télescope dans les années 1960 et 1970 ont conforté la théorie. Quelques chercheurs ont suggéré que la seule source d'énergie possible pour quelque chose d'aussi lumineux que des quasars - des balises extrêmement lumineuses à des milliards d'années-lumière de distance - serait une concentration de millions de soleils rapprochés par ce que les scientifiques ont ultérieurement qualifié de trou noir supermassif. Les astronomes ont alors trouvé des étoiles qui semblaient fouetter des entités invisibles dans notre Voie lactée et ils ont conclu que seule l'attraction de la gravité provenant de petits trous noirs (contenant plusieurs fois la masse de notre soleil et connue sous le nom de trous de masse stellaire) pouvait garder les étoiles. dans de telles orbites serrées.
Le télescope spatial Hubble a ajouté aux preuves des trous noirs dans les années 1990 en mesurant la vitesse de rotation des parties les plus profondes des autres galaxies - jusqu'à 1, 1 million de miles par heure dans les grandes galaxies. Les vitesses étonnantes indiquaient des noyaux contenant jusqu'à un milliard de fois la masse du Soleil. La découverte que les trous noirs supermassifs sont au cœur de la plupart, sinon de toutes, des galaxies est l'une des plus grandes réalisations de Hubble. "Au début du sondage Hubble, j'aurais dit que les trous noirs sont rares, peut-être une galaxie sur 10 ou 100, et que quelque chose s'est mal passé dans l'histoire de cette galaxie", a déclaré Douglas Richstone, scientifique à Hubble, de l'Université du Michigan. "Maintenant, nous avons montré qu'il s'agit d'équipement standard. C'est la chose la plus remarquable."
Même de Hubble, cependant, le noyau de la Voie Lactée est resté insaisissable. Si notre galaxie hébergeait un trou noir supermassif, elle était silencieuse, sans les assoupissements d'énergie vus des autres. Hubble, qui a été entretenu et mis à niveau pour la dernière fois en 2009, peut suivre des groupes d'étoiles près des centres de galaxies lointaines, mais en raison de son angle de vue étroit et des nuages de poussière épais de notre galaxie, il ne peut pas prendre le même type de des images dans notre galaxie. Une autre approche consisterait à suivre des étoiles individuelles à proximité du trou noir en utilisant une lumière infrarouge, qui voyage à travers la poussière, mais les étoiles étaient trop faibles et trop encombrées pour pouvoir être résolues par la plupart des télescopes au sol. Pourtant, certains astronomes dans les années 1990 ont décidé que des observations du noyau de la Voie lactée pourraient être possibles. Un certain nombre de questions alléchantes pourraient ensuite être abordées: comment les étoiles vivent-elles et meurent-elles dans ce cadre sauvage? Que consomme un trou noir? Et pouvons-nous assister, au cœur de la Voie Lactée, à l’espace et au temps déformés prédits par Einstein il ya près d’un siècle?
La salle de contrôle de Keck se trouve à 32 km du télescope, dans la ville de Waimea, qui élève des ranchs. Pour les chercheurs, le laser spectaculaire n’est visible que comme un faisceau lumineux sur un écran d’ordinateur. Les astronomes vérifient leurs cahiers et leurs écrans pleins de données du télescope, de relevés météorologiques et de la dernière image des étoiles qu'ils ciblent. Ils utilisent un lien vidéo pour parler à l'opérateur du télescope, qui passera toute la nuit au sommet. Les choses se passent si bien qu'il n'y a pas grand chose à faire. Le télescope restera bloqué au même endroit dans le ciel pendant quatre heures; le laser fonctionne bien et une caméra fixée au télescope effectue une exposition de 15 minutes après l'autre, en séquence automatisée. «C’est à peu près le genre d’observation le plus ennuyeux qui soit», me dit l’astronome Mark Morris de l’Université de Californie à Los Angeles.
Malgré tout, il y a de la tension dans la pièce. Cette équipe d’astronomes, dirigée par Andrea Ghez de UCLA, est actuellement en compétition avec des astronomes à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre de Garching, en Allemagne. Depuis le début des années 1990, Reinhard Genzel, astrophysicien de Garching, et ses collègues ont étudié le trou noir au centre de la Voie lactée à l'aide du télescope à technologie nouvelle et du réseau de très grand télescope au Chili. Ghez, 45 ans, pousse ses étudiants à tirer le meilleur parti de chaque session d'observation à Keck. Il y a six ans, elle a été élue à l'Académie nationale des sciences - un honneur pour une personne de 30 ans. "Il est facile d'être à la pointe de l'astronomie si vous avez accès aux meilleurs télescopes du monde", dit-elle.
Il y a près de dix ans, les équipes américaine et allemande ont déduit de manière indépendante que seul un trou noir géant pouvait expliquer le comportement des étoiles au cœur de la Voie lactée. Les étoiles encerclant une masse lourde, qu'il s'agisse d'un trou noir ou d'une grande étoile, voyagent dans l'espace beaucoup plus rapidement que celles encerclant une masse plus petite. Sur le plan visuel, la masse la plus grande crée un entonnoir plus profond dans la structure de l’espace autour duquel les étoiles tournent; comme des feuilles qui tournent dans un tourbillon, plus le tourbillon est profond, plus les feuilles tournent rapidement. D'autres astronomes avaient vu des étoiles et des nuages de gaz se déplaçant rapidement près du centre de la Voie lactée. Ghez et Genzel ont donc soupçonné un groupe de matière dense à l'abri des regards.
En compilant minutieusement des photographies infrarouges prises à des mois et des années d'intervalle, les deux équipes ont suivi les étoiles les plus profondes, celles se trouvant à un mois lumière du centre de la galaxie. Combinées, les images ressemblent à des films accélérés des mouvements des stars. "Au début, il était clair qu'il y avait quelques étoiles qui se levaient", se souvient Ghez. "De toute évidence, ils étaient extrêmement proches du centre." Quelque chose les emprisonnait dans un profond tourbillon. Un trou noir avait le plus de sens.
Le décisif est arrivé en 2002, lorsque les deux équipes ont affiné leurs images en utilisant l’optique adaptative, une technologie qui compense le flou atmosphérique. Les scientifiques ont suivi les étoiles qui gravitent autour du centre de la galaxie et ont découvert que la vitesse maximale de l'étoile la plus rapide correspondait à 3% de la vitesse de la lumière, soit environ 20 millions de miles par heure. C'est une vitesse surprenante pour un globe de gaz bien plus grand que notre soleil, et cela a même convaincu les sceptiques qu'un trou noir supermassif en était la cause.
Le flou de l'atmosphère terrestre a affecté les utilisateurs de télescopes depuis les premières études de Galilée sur Jupiter et Saturne il y a 400 ans. Regarder une étoile dans les airs, c'est comme regarder un sou au fond d'une piscine. Les courants d’air font trembler la lumière des étoiles.
Le trou noir de notre galaxie émet des rayons X (visibles ici dans une image du télescope satellite Chandra) alors que la matière tourne vers elle. (Centre de vol spatial Marshall / NASA) Dans les années 1990, les ingénieurs ont appris à effacer les distorsions avec une technologie appelée optique adaptative; Les ordinateurs analysent le motif de scintillement de la lumière des étoiles entrante une milliseconde à la milliseconde et utilisent ces calculs pour commander un ensemble de pistons au dos d'un miroir mince et pliable. Les pistons fléchissent le miroir des centaines de fois par seconde, ajustant la surface pour contrecarrer les distorsions et former un point central net.
La technologie avait une limite majeure. Les ordinateurs avaient besoin d’une lumière de guidage claire comme sorte de point de référence. Le système ne fonctionne que si le télescope est dirigé près d'une étoile ou d'une planète brillante, limitant ainsi les astronomes à 1% seulement du ciel.
En créant une étoile de guidage artificielle partout où cela est nécessaire, le laser de l'observatoire Keck supprime cette limitation. Le faisceau laser est réglé sur une fréquence qui éclaire les atomes de sodium laissés par les météorites en décomposition dans une couche de l'atmosphère. Les ordinateurs de Keck analysent la distorsion dans la colonne d’air entre le miroir du télescope et l’étoile créée au laser.
À l’intérieur du dôme de la lunette, le système laser se trouve dans une enceinte de la taille d’un bus. Le laser démarre avec une puissance cahotante de 50 000 watts, amplifiant le faisceau lumineux dans une solution de teinture à base d'éthanol à 190 degrés. Mais au moment où la lumière est réglée sur sa couleur correcte et que son énergie est canalisée sur un seul trajet, sa puissance chute à environ 15 watts, ce qui est suffisamment brillant pour que la Federal Aviation Administration demande à l'observatoire d'éteindre le laser si un avion est en marche. devrait voler près de son chemin. À plusieurs centaines de mètres de distance, le laser ressemble à un faisceau de crayon ambré. D'un peu plus loin, il n'est pas visible du tout. En ce qui concerne le reste de l'île, il n'y a pas de spectacle laser au Mauna Kea.
Identifier un trou noir est une chose; la décrire est une autre. "Il est difficile de brosser un tableau en rapport avec le monde tel que nous le comprenons, sans recourir à la complexité mathématique", a déclaré Ghez un après-midi au centre de contrôle de Keck. Le lendemain, elle demande à son fils de 6 ans s'il sait ce qu'est un trou noir. Sa réponse rapide: "Je ne sais pas, maman. Tu ne devrais pas?"
Mark Morris pense que "le gouffre" est une métaphore appropriée pour un trou noir. Si vous étiez dans l'espace près du trou noir ", dit-il, " vous y verriez des choses disparaître de toutes les directions ".
Ghez et Morris aiment tous deux imaginer regarder à partir d'un trou noir. "C’est le centre-ville en plein essor de la galaxie, comparé à la banlieue où nous nous trouvons", déclare Ghez. "Les étoiles se déplacent à une vitesse incroyable. Vous verriez que les choses changent sur une échelle de temps de plusieurs dizaines de minutes." Morris reprend ce thème. "Si vous regardez le ciel nocturne depuis une magnifique montagne, cela vous coupe le souffle de voir combien d'étoiles il y a", dit-il. "Maintenant, multipliez cela par un million. C'est à quoi ressemblerait le ciel au centre galactique. Ce serait comme un ciel plein de Jupiters et quelques étoiles aussi brillantes que la pleine lune."
Dans un cadre aussi magnifique, les lois de la physique sont merveilleusement tordues. Ghez et Morris espèrent réunir les premières preuves que les étoiles empruntent effectivement les trajectoires orbitales étranges prédites par la théorie de la relativité d'Einstein. Dans ce cas, chaque étoile tracerait quelque chose ressemblant à un motif tiré d'un jouet de dessin Spirograph: une série de boucles qui changent progressivement de position par rapport au trou noir. Ghez pense que ses collègues et elle sont dans plusieurs années à oublier ce changement.
À chaque nouvelle découverte, le noyau de la Voie lactée devient plus perplexe et fascinant. Les équipes de Ghez et de Genzel ont été surprises de découvrir de nombreuses jeunes étoiles massives dans le quartier du trou noir. Il y en a des dizaines, tous âgés de cinq à dix millions d'années - des nourrissons, en termes cosmiques - et ils sont environ dix fois plus massifs que notre soleil. Personne n'est tout à fait sûr de savoir comment ils sont devenus si proches du trou noir ou comment ils sont devenus. Ailleurs dans la galaxie, les étoiles en gestation nécessitent un utérus froid et calme dans un vaste nuage de poussière et de gaz. Le noyau galactique est tout sauf calme: une radiation intense inonde la région et la gravité du trou noir devrait déchiqueter les pépinières gazeuses avant que rien ne s'y installe. Comme Reinhard Genzel l'a déclaré lors d'une conférence il y a plusieurs années, ces jeunes stars "n'ont absolument pas le droit d'être là." Il est possible que certains d'entre eux soient nés plus loin et aient migré vers l'intérieur, mais la plupart des théoriciens pensent qu'ils sont trop jeunes pour ce scénario. Morris pense que la gravité intense compresse le gaz en spirale en un disque autour du trou noir, créant ainsi de nouveaux soleils dans un type de naissance étoilée que l’on ne retrouve dans aucun autre environnement galactique.
Ces jeunes étoiles s'autodétruiront dans quelques millions d'années. Et quand ils le feront, les plus massifs laissent derrière eux de petits trous noirs. Morris théorise que des centaines de milliers de ces trous noirs de masse stellaire, accumulés des générations précédentes d'étoiles, pullulent autour du trou noir supermassif central. Les trous noirs de masse stellaire n’ont qu’une largeur d’environ 20 milles. Les collisions entre eux seraient donc rares. Au lieu de cela, Morris dit: "Vous aurez des trous noirs qui se croisent dans la nuit et des étoiles qui se déplacent dans ce derby de destruction. Un quasi-accident entre l'un des trous noirs et une étoile pourrait disperser l'étoile dans le trou noir supermassif ou hors du centre galactique entièrement. " Les théoriciens pensent que le trou noir supermassif peut engloutir une étoile une fois tous les dizaines de milliers d'années - un événement qui inonderait le centre de la galaxie de radiations. "Ce serait un événement spectaculaire", a déclaré Morris.
Les astronomes décèlent des signes d'assombrissement lorsqu'ils examinent l'intérieur de la Voie lactée à l'aide de rayons X et de radiotélescopes, qui détectent les ondes de choc des explosions du passé. Les trous noirs géants d'autres galaxies sont trop éloignés pour que les astronomes puissent étudier en profondeur, explique Avi Loeb, directeur de l'Institut de théorie et de calcul du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, dans le Massachusetts. C'est pourquoi il s'accroche à chaque annonce des équipes de Ghez et de Genzel. "Les progrès réalisés par les observateurs en si peu de temps ont été vraiment remarquables", a-t-il déclaré. "Nous, théoriciens, sommes tous des pom-pom girls pour eux."
Loeb et d'autres sont en train de brosser un tableau nouveau de l'évolution de l'univers et de ses 100 milliards de galaxies depuis le Big Bang, il y a 13, 7 milliards d'années. Ils croient que toutes les galaxies ont commencé avec des "trous noirs" encore inexpliqués - des dizaines de milliers de fois la masse de notre soleil - qui ont augmenté de façon exponentielle lors de cycles d'alimentation violents lors de la collision de galaxies, ce qu'ils ont fait plus fréquemment lorsque l'univers était plus jeune. et les galaxies étaient plus proches les unes des autres. Lors d'une collision, certaines étoiles catapultent dans l'espace lointain et d'autres étoiles et gaz s'effondrent dans le trou noir nouvellement combiné situé au centre des galaxies. Selon Loeb, à mesure que le trou noir s'agrandit, il se transforme en un quasar déchaîné dont le gaz est chauffé à des milliards de degrés. Le quasar jette alors le reste du gaz hors de la galaxie. Une fois le gaz épuisé, dit Loeb, "le trou noir supermassif se situe au centre de la galaxie, en sommeil et affamé".
Il semble que notre Voie lactée, avec son trou noir de taille modeste, n’ait absorbé que quelques petites galaxies et n’ait jamais alimenté un quasar. Cependant, une collision redoutable se profile. Andromeda, la grande galaxie la plus proche, se trouve sur une trajectoire de collision avec la Voie Lactée. Les deux vont commencer à fusionner dans environ deux milliards d’années et formeront progressivement une galaxie gigantesque que Loeb et son ancien collègue de Harvard-Smithsonian, TJ Cox, appellent "Milkomeda". Les trous noirs centraux supermassifs des galaxies vont entrer en collision, dévorant des torrents de gaz et enflammant un nouveau quasar pendant une courte période dans cette partie calme de l'univers. "Nous sommes des retardataires à cet égard", note Loeb. "Cela est arrivé très tôt à la plupart des autres galaxies." (La Terre ne sera pas éjectée de l'orbite du Soleil par la collision et ne devrait être ébranlée par rien pendant la fusion. Mais il y aura beaucoup plus d'étoiles dans le ciel.)
Loeb espère que bientôt, peut-être dans une décennie, nous aurons la première image du trou noir supermassif de la Voie Lactée, grâce à un réseau mondial émergent de télescopes à "ondes millimétriques". Nommés pour la longueur d'onde des ondes radio qu'ils détectent, les instruments ne verront pas le trou noir lui-même. Au lieu de cela, ils vont cartographier l'ombre qu'elle projette sur un rideau de gaz chaud derrière. Si tout se passe bien, l'ombre aura une forme distinctive. Certains théoriciens s'attendent à ce que le trou noir soit en train de tourner. Si tel est le cas, selon le glissement de l'espace contre-intuitif prédit par Einstein, notre vision de l'ombre sera déformée en quelque chose qui ressemble à une larme tronquée et écrasée. "Ce serait la photo la plus remarquable que nous puissions avoir", déclare Loeb.
La quatrième et dernière nuit des observations planifiées par Ghez, le vent et le brouillard au sommet du Mauna Kea maintiennent les dômes du télescope. Les astronomes passent donc en revue leurs données des nuits précédentes. Les images des deux premières nuits allaient de bonnes à excellentes, dit Ghez; la troisième nuit était "respectable". Elle dit être satisfaite: ses étudiants en ont assez pour les occuper, et Tuan Do de l'Université de Californie à Irvine a identifié quelques grandes et jeunes stars à ajouter à l'analyse de l'équipe. "Je me sens incroyablement privilégié de travailler dans quelque chose pour lequel je m'amuse autant", a déclaré Ghez. "Il est difficile de croire que les trous noirs existent vraiment, car c'est un état tellement exotique de l'univers. Nous avons pu le démontrer, et je trouve cela vraiment profond."
Elle passe le plus clair de son temps à superviser le centre de commandement de Waimea, mais elle s’est rendue au sommet de Mauna Kea pour voir le laser en action. Alors que nous parlons de la vue fascinante, il est clair que Ghez apprécie une ironie: les astronomes aiment l'obscurité et se plaignent souvent de toute source de lumière pouvant gêner leurs observations. Pourtant, les voici qui projettent un rayon de lumière dans les cieux pour éclairer la plus sombre chose que l’humanité puisse jamais espérer voir.
Cette histoire de Robert Irion a remporté le prix David N. Schramm 2010 pour le journalisme scientifique décerné par la American Astronomical Society.
