Ce que montre réellement l'image du trou noir de la Voie lactée

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Les trous noirs gardent leurs secrets bien gardés. Ils emprisonnent pour toujours tout ce qui y entre. La lumière elle-même ne peut pas échapper à l'attraction affamée d'un trou noir.

Il semblerait donc qu'un trou noir devrait être invisible - et sa prise de vue impossible. C'est pourquoi la publication en 2019 de la première image d'un trou noir a été accompagnée d'une grande fanfare. Puis, au printemps 2022, les astronomes ont dévoilé une autre photo de trou noir - cette fois de celui qui se trouve au centre de notre propre Voie lactée.

L'image montre une tache orange en forme de beignet qui ressemble remarquablement à la photo précédente du trou noir au centre de la galaxie Messier 87. Mais le trou noir de la Voie lactée, Sagittarius A*, est en fait beaucoup plus petit que le premier et était plus difficile à voir, car il fallait regarder à travers le disque brumeux de notre galaxie. Ainsi, même si les observations de notre propre trou noir ont été réalisées en même temps que celles de M87, il a fallu trois années supplémentaires pour créer l'image. Cela a nécessité une collaboration internationale de centaines d'astronomes, d'ingénieurs et d'informaticiens, ainsi que le développement d'algorithmes informatiques sophistiqués pour reconstituer l'image à partir des données brutes.

La nouvelle image du trou noir Sagittarius A*, confirme et affine les prédictions précédentes concernant sa taille et son orientation. La masse du trou noir détermine sa taille, ou ce que les scientifiques appellent son diamètre gravitationnel. Le point où aucune lumière ne peut s'échapper du trou noir, appelé horizon des événements, est déterminé par cette masse et par la rotation du trou noir. Le plasma chaud se déplace rapidement autour de l'objet massif dans le disque d'accrétion, émettant des ondes radio. Ces ondes radio sont courbées et déformées par la gravité (par l'effet de "lentille gravitationnelle") pour produire l'image des cercles extérieurs orange. L'ombre du trou noir et l'anneau d'émission représentés ici sont des projections par effet de lentille gravitationnelle de la face cachée de l'horizon des événements et du disque d'accrétion du trou noir, respectivement.

Bien entendu, ces "photos" ne montrent pas directement un trou noir, défini comme la région de l'espace située à l'intérieur d'une barrière de non-retour appelée horizon des événements. Elles enregistrent en fait des portions de la crêpe de plasma chaud qui tourbillonne à grande vitesse autour du trou noir dans ce que l'on appelle le disque d'accrétion. Le plasma est composé de particules chargées de haute énergie. Lorsque le plasma tourne en spirale autour du trou noir, ses particules accélérées émettent des ondes radio. L'anneau orange flou que l'on voit sur les images est une reconstruction élaborée de ces ondes radio capturées par huit télescopes dispersés autour de la Terre, connus collectivement sous le nom de Event Horizon Telescope (EHT).

L'image la plus récente raconte l'épopée des ondes radio depuis le centre de la Voie lactée et fournit des détails sans précédent sur Sagittarius A*. L'image constitue également "l'une des preuves visuelles les plus importantes de la relativité générale", notre meilleure théorie actuelle de la gravité, déclare Sera Markoff, astrophysicienne à l'université d'Amsterdam et membre de la collaboration avec l'EHT.

L'étude des trous noirs supermassifs tels que Sagittarius A* aidera les scientifiques à mieux comprendre comment les galaxies évoluent au fil du temps et comment elles se rassemblent en de vastes amas dans l'univers.

Depuis le noyau galactique

Sagittarius A* est 1 600 fois plus petit que le trou noir de Messier 87 qui a été imagé en 2019, et est également environ 2 100 fois plus proche de la Terre. Cela signifie que les deux trous noirs semblent avoir à peu près la même taille sur le ciel. Geoffrey Bower, un scientifique du projet EHT à l'Institut d'astronomie et d'astrophysique Academia Sinica à Taïwan, affirme que la résolution requise pour voir Sagittarius A* depuis la Terre est la même que celle qui serait nécessaire pour prendre une photo d'une orange à la surface de la Lune.

Le centre de notre galaxie se trouve à 26 000 années-lumière de nous, de sorte que les ondes radio recueillies pour créer cette image ont été émises à peu près au moment où l'un des premiers habitats humains permanents connus a été construit. Le voyage des ondes radio a commencé lorsqu'elles ont été émises pour la première fois par des particules du disque d'accrétion du trou noir. Avec une longueur d'onde d'environ 1 mm, le rayonnement a voyagé vers la Terre sans être perturbé par le gaz et la poussière galactiques. Si la longueur d'onde était beaucoup plus courte, comme la lumière visible, les ondes radio auraient été dispersées par la poussière. Si la longueur d'onde était beaucoup plus grande, les ondes auraient été déviées par les nuages de plasma chargés, déformant ainsi l'image.

Enfin, après un périple de 26 000 ans, les ondes radio ont été captées et enregistrées par les observatoires radio répartis sur notre planète. La grande séparation géographique entre les observatoires était essentielle : elle a permis au consortium de chercheurs de détecter des différences extrêmement subtiles dans les ondes radio recueillies sur chaque site grâce à un processus appelé interférométrie. Ces petites différences sont utilisées pour déduire les différences minuscules dans la distance parcourue par chaque onde radio depuis sa source. À l'aide d'algorithmes informatiques, les scientifiques ont réussi à décoder les différences de longueur de parcours des ondes radio pour reconstituer la forme de l'objet qui les a émises.

La dernière image du trou noir a été créée à l'aide d'une technique appelée interférométrie, dans laquelle les ondes radio émises par le trou noir et recueillies par huit télescopes situés dans le monde entier sont comparées. Si deux sites recueillent des ondes "en phase", c'est-à-dire que les pics des ondes sont alignés l'un sur l'autre, les deux ondes s'additionnent pour créer un point lumineux sur l'image. Si, au contraire, les ondes sont déphasées, c'est-à-dire que le pic d'une onde est aligné avec le creux de l'autre, les ondes s'annulent mutuellement, produisant une tache sombre sur l'image. En travaillant ensemble, les télescopes sont capables de recueillir des données plus détaillées qu'aucun d'entre eux ne pourrait le faire seul.

Les chercheurs ont rassemblé tout cela dans une image en fausses couleurs, où l'orange représente les ondes radio de forte intensité et le noir celles de faible intensité. "Mais chaque télescope ne capte qu'une infime partie du signal radio", explique Fulvio Melia, astrophysicien à l'université d'Arizona, qui a écrit sur le trou noir supermassif de notre galaxie. Comme une grande partie du signal nous échappe, "au lieu de voir une photo claire comme du cristal, vous voyez quelque chose d'un peu brumeux... d'un peu flou".

L'image permet d'en savoir plus sur l'horizon des événements du trou noir - le point le plus proche auquel n'importe quoi peut s'approcher du trou noir sans être aspiré. Au-delà de l'horizon des événements, même la lumière ne peut s'échapper.

À partir de l'image, les scientifiques ont pu mieux estimer la taille de l'horizon des événements et en déduire que le disque d'accrétion est incliné de plus de 40 degrés par rapport au disque de la Voie lactée, de sorte que nous voyons la face ronde du disque d'accrétion plat, plutôt que le mince éclat de son bord.

Mais même si le disque d'accrétion du trou noir était orienté sur le bord par rapport à la Terre, la gravité autour du trou noir déforme tellement l'espace qui l'entoure que la lumière émise par l'arrière du trou noir serait courbée pour venir vers nous, produisant une image annulaire quelle que soit son orientation. Alors, comment les scientifiques peuvent-ils connaître son orientation ? Parce que l'anneau est essentiellement rond ; si nous observions le disque d'accrétion de face, l'anneau serait plus écrasé et oblong.

Markoff pense que cette nouvelle capacité à regarder au cœur de notre galaxie aidera à combler les lacunes dans notre compréhension de l'évolution des galaxies et de la structure à grande échelle de l'univers. Un objet dense et massif, tel qu'un trou noir, situé au centre d'une galaxie, influence les mouvements des étoiles et de la poussière qui se trouvent à proximité, ce qui influe sur l'évolution de la galaxie au fil du temps. Les propriétés du trou noir, comme la direction dans laquelle il tourne, dépendent de l'histoire de ses collisions - avec des étoiles ou d'autres trous noirs, peut-être. "Beaucoup de gens... regardent le ciel et pensent que tout est statique, n'est-ce pas ? Mais ce n'est pas le cas. C'est un grand écosystème de choses qui évoluent", explique Markoff.

Jusqu'à présent, le fait que l'image corresponde si précisément aux attentes des scientifiques en fait une confirmation importante des théories actuelles de la physique. "Cela fait deux décennies que nous prédisons que nous verrons un anneau de cette taille", explique Bower. Mais, vous savez, voir c'est croire".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.