Première image d’un trou noir : une prouesse scientifique

Lorsque le jeune physicien allemand Karl Schwarzschild propose en 1916 une solution des équations de la relativité générale qu’Einstein a publiées l’année précédente, dans le cas d’une masse sphérique sans rotation, peu de gens y prêtent attention, et Einstein moins que quiconque, car il ne croira jamais à cette solution qui prendra en 1967 le nom de « trou noir ».

Nul n’ignore maintenant ce que sont les « trous noirs », ces astres dont rien ne peut s’échapper, ni la lumière, ni la matière, dès qu’elles se trouvent à l’intérieur d’une région de l’espace-temps limitée par une frontière immatérielle nommée event horizon (horizon des événements). On connaît actuellement des trous noirs de masses très différentes, depuis ceux de quelques masses solaires jusqu’aux trous noirs « supermassifs » de quelques centaines de milliers à quelques milliards de masses solaires. Ces derniers se trouvent dans les cœurs de la plupart des galaxies, tel le trou noir central de la Voie lactée (notre galaxie), Sagittarius A*, qui a une masse de 4 millions de Soleil. Curieusement, on aurait pu penser que c’est le premier trou noir supermassif que l’on parviendrait à observer, car c’est le plus proche de nous, et on l’a tenté en effet. C’est pourtant un autre dont on vient d’obtenir l’image, celui de la galaxie M87 (Virgo A) qui est situé à 55 millions d’années-lumière, soit mille fois plus loin que le centre de la Voie lactée, mais qui est également mille fois plus massif ¹. Or le diamètre physique de l’horizon d’un trou noir est proportionnel à sa masse, donc ces deux objets ont à peu près le même diamètre angulaire vus de la Terre. Mais la luminosité de Sagittarius A* varie sur des échelles de temps extrêmement courtes (de l’ordre de la journée), ce qui est un problème pour la stabilité des observations.

Lors d’une conférence de presse mondiale, la collaboration du réseau international de radiotélescopes EHT (Event Horizon Telescope) a dévoilé mercredi 10 avril la première image obtenue du trou noir de M87. Il s’agit d’une nouvelle aussi importante que celle de la découverte, en 2015, des premières ondes gravitationnelles émises par deux trous noirs en train de fusionner. Dans les deux cas, des prédictions théoriques faites il y a plus d’un siècle viennent d’être confirmées par l’observation ! Mais pour cela, il a fallu des prouesses technologiques qui ont mis des décennies à être élaborées.

Comment en effet « observer » un trou noir, puisque, par définition, il n’émet aucune lumière ? Le trou noir au centre d’une galaxie n’est pas isolé. Il capture les gaz qui se trouvent à proximité, créant un flot de matière de plus en plus chaude à mesure qu’on s’en approche, en formant un « disque d’accrétion » qui tourne à des vitesses de plus en plus grandes, approchant la vitesse de la lumière dans les zones les plus centrales. En ce qui concerne les deux trous noirs dont nous venons de parler, leur disque d’accrétion possède les propriétés – déterminées par la théorie – d’être à la fois épais, très chaud et transparent, contrairement à d’autres comme ceux des quasars ², qui sont entourés d’un disque mince, opaque et très lumineux, qui doit cacher une partie du trou noir central. De plus, les disques de M87 et Sagittarius A* contiennent des particules énergétiques rayonnant dans le domaine des longueurs d’onde radiométriques : on pouvait donc espérer observer en radio une sorte « d’ombre » du trou noir correspondant à son event horizon, et c’est bien ce qui s’est produit !

L’idée a été d’observer ces trous noirs en utilisant une technique que les radioastronomes maîtrisent depuis une cinquantaine d’années, la VLBI, pour Very Long Baseline Interferometry ou « interférométrie à très longue base ». Cette technique couple les données reçues par des radiotélescopes très éloignés les uns des autres. Les enregistrements de toutes les antennes sont rassemblés et corrélés afin de produire une image résultante. La résolution atteinte est proportionnelle à la fréquence du rayonnement observé et à la distance séparant les antennes les plus éloignées du réseau, qu’on nomme « la base ».

Un groupe de scientifiques a décidé, pour étudier les trous noirs centraux des galaxies, de rassembler un réseau d’antennes couvrant toute la Terre, constituant en quelque sorte les morceaux d’un télescope ayant le diamètre terrestre, qu’ils ont appelés l’Event Horizon Telescope ou EHT. Par ailleurs, ils ont choisi d’observer à la longueur d’onde de 1,3 mm (230 gigahertz de fréquence) et non pas à une longueur d’onde de l’ordre du centimètre correspondant à une fréquence plus faible, alors que les observations millimétriques sont bien plus délicates que les observations à plus grande longueur d’onde. Mais le jeu en valait la chandelle, car on augmentait ainsi la résolution spatiale qui est alors de 20 millionièmes de seconde de degré ; et ce n’est qu’à cette longueur d’onde que l’on pouvait espérer observer, avec un réseau de télescopes ayant la taille de la Terre, l’image produite par le trou noir de la galaxie M87.

Les télescopes ont donc été pointés sur Sagittarius A* et sur le centre de M87 pendant quatre nuits en avril 2017. Le résultat a été obtenu très difficilement. Il fallait connaître la position des différents radiotélescopes avec une précision bien meilleure que la longueur d’onde (1,3 mm, rappelons-le !). On a utilisé pour cela un quasar ponctuel déjà connu proche de M87. Il fallait également qu’il fasse beau en même temps dans tous les sites où sont placés les radiotélescopes. Les astronomes ont alors récolté une masse de données (10 millions de pétaoctets), qui ont été combinées par des superordinateurs. Il fallait ensuite reconstituer (par transformée de Fourier) une image complète à partir de l’échantillonnage obtenu par l’ensemble des télescopes, en se débarrassant des artéfacts, ce que les radioastronomes ont appris à faire depuis plus d’un demi-siècle. Deux ans après l’observation, une image du trou noir a enfin été obtenue avec une résolution angulaire de 25 millionièmes de seconde de degré, soit une résolution de 0,006 année-lumière à la distance de la galaxie M87, 55 millions d’années-lumière.

On a gagné un facteur cent par rapport aux images précédentes ³ grâce à la fréquence plus grande et à la base élargie. Un groupe de 200 scientifiques appartenant à 143 institutions vient de publier six articles dans les Astrophysical Journal Letters, où ils détaillent les résultats et les techniques utilisés. Notons que l’Europe est largement présente dans ce travail avec le réseau d’antennes Alma au Chili et le radiotélescope de 30 m de diamètre de l’Iram en Espagne. Ces chercheurs ont trouvé que la source se présente comme un anneau asymétrique de 42 ± 3 millionièmes de seconde de degré, entourant une région au moins dix fois moins brillante (le trou noir). Des simulations numériques ont été faites dans les conditions exactes de M87, permettant de comparer des images prédites à celles qui ont été obtenues à partir des données observationnelles. Elles montrent entre autres que la partie brillante correspond à l’émission d’un gaz en rotation avec une vitesse proche de celle de la lumière. À ces vitesses extrêmes, le rayonnement émis par le gaz chaud est concentré dans la direction de la vitesse de l’émetteur (vecteur vitesse du gaz en rotation autour du trou noir), ce qui explique la répartition dissymétrique du rayonnement (voir la figure), car l’axe de rotation fait un angle de seulement 20 degrés avec la ligne de visée. Cet angle est connu grâce au jet émis le long de l’axe de rotation et qui s’étend bien au-delà de la galaxie (voir la figure). L’image rappelle d’ailleurs celle que Jean-Pierre Luminet, de l’Observatoire de Paris, avait été le premier à calculer à l’aide d’un ordinateur à la fin des années 1970, pour le disque d’accrétion d’un trou noir sans rotation, suivi par son collègue Jean-Alain Marck, hélas décédé très tôt, qui avait calculé quelques années plus tard l’image pour un trou noir en rotation.

On voit donc que cette « image » de l’ombre d’un trou noir et du rayonnement émis autour est loin d’être une simple photographie, comme celles que l’on obtiendrait du Soleil ou d’une planète. Elle a été obtenue grâce un énorme travail de reconstruction, précédé par un non moins énorme travail d’acquisition des données, ce qui ne met d’ailleurs pas en cause sa fiabilité. Cette observation est une superbe illustration du travail collectif que réalisent les chercheurs, assistés de la puissance de la technologie moderne. Elle prouve une fois de plus la merveilleuse efficacité de la méthode scientifique faite de prédictions et de vérifications, et ouvre la voie à une étude de la physique dans des conditions de gravité extrême.