Posté par Adrien le Vendredi 13/05/2022 à 09:00

La première image du trou noir au cœur de notre galaxie

A l'occasion de conférences de presse simultanées dans le monde entier, et notamment une au siège de l'Observatoire Européen Austral (ESO) en Allemagne, des astronomes ont dévoilé la première image du trou noir supermassif situé au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée. Ce résultat apporte la preuve que l'objet est bien un trou noir et fournit des indices précieux sur le fonctionnement de ces géants, dont on pense qu'ils se trouvent au centre de la plupart des galaxies. L'image a été produite par une équipe de recherche internationale appelée Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, à partir des observations d'un réseau mondial de radiotélescopes.


Cette image constitue un regard longtemps attendu de l'objet massif qui se trouve au centre même de notre galaxie. Les scientifiques avaient déjà observé des étoiles en orbite autour d'un objet invisible, compact et très massif au centre de la Voie lactée. Cela suggérait fortement que cet objet - connu sous le nom de Sagittarius A* (Sgr A*, prononcé "sadge-ay-star") - était un trou noir, et l'image d'aujourd'hui en fournit la première preuve visuelle directe.

Bien que nous ne puissions pas voir le trou noir lui-même, car il est complètement sombre, le gaz incandescent qui l'entoure en révèle la signature: une région centrale obscure (appelée ombre) entourée d'une structure brillante en forme d'anneau. Cette nouvelle image montre la lumière déformée par la puissante gravité du trou noir, qui est quatre millions de fois plus massif que notre Soleil.

"Nous avons été stupéfaits de voir à quel point la taille de l'anneau correspondait aux prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein", a déclaré le scientifique du projet EHT, Geoffrey Bower, de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique, Academia Sinica, Taipei. "Ces observations sans précédent ont considérablement amélioré notre compréhension de ce qui se passe au centre même de notre galaxie, et offrent de nouvelles perspectives sur la façon dont ces trous noirs géants interagissent avec leur environnement." Les résultats de l'équipe de l'EHT sont publiés aujourd'hui dans un numéro spécial de la revue The Astrophysical Journal Letters.

Le trou noir étant situé à environ 27 000 années-lumière de la Terre, il nous apparaît dans le ciel avec la même taille qu'un beignet sur la Lune. Pour l'imager, l'équipe a créé le puissant EHT, qui relie huit observatoires radio existants à travers la planète pour former un seul télescope virtuel "de la taille de la Terre" (1). L'EHT a observé Sgr A* pendant plusieurs nuits en 2017, recueillant des données pendant de nombreuses heures d'affilée, comme si l'on utilisait un long temps d'exposition sur un appareil photo.

Le réseau de radio-observatoires EHT comprend entre autre l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et l'Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) dans le désert d'Atacama au Chili, dont l'ESO est copropriétaire et l'opérateur pour le compte de ses États membres en Europe. L'Europe contribue également aux observations EHT avec d'autres observatoires radio - le télescope de 30 mètres de l'IRAM en Espagne et, depuis 2018, le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en France - ainsi qu'avec un superordinateur permettant de combiner les données EHT hébergé par l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne. En outre, l'Europe a contribué au financement du projet de consortium EHT par le biais de subventions du Conseil européen de la recherche et de la Société Max Planck en Allemagne.

"Il est très stimulant pour l'ESO d'avoir joué un rôle aussi important dans l'élucidation des mystères des trous noirs, et de Sgr A* en particulier, pendant tant d'années", a commenté Xavier Barcons, directeur général de l'ESO. "L'ESO a non seulement contribué aux observations de l'EHT grâce aux installations ALMA et APEX, mais a également permis, avec ses autres observatoires au Chili, certaines des précédentes observations exceptionnelles du centre galactique." (2)

Cette prouesse de l'EHT fait suite à la publication en 2019 par la collaboration de la première image d'un trou noir, appelé M87*, au centre de la galaxie plus lointaine Messier 87.

Les deux trous noirs se ressemblent remarquablement, même si le trou noir de notre galaxie est plus de mille fois plus petit et moins massif que M87* (3). "Nous avons deux types de galaxies complètement différents et deux masses de trous noirs très différentes, mais près du bord, ces trous noirs semblent étonnamment similaires", explique Sera Markoff, coprésidente du conseil scientifique de l'EHT et professeur d'astrophysique théorique à l'université d'Amsterdam, aux Pays-Bas. "Cela nous indique que la relativité générale régit ces objets de près, et que toutes les différences que nous voyons plus loin doivent être due à des différences dans la matière qui entoure les trous noirs."

Cette prouesse a été considérablement plus difficile à réaliser que pour M87*, même si Sgr A* est beaucoup plus proche de nous. Le scientifique de l'EHT, Chi-kwan ("CK") Chan, de l'observatoire Steward, du département d'astronomie et de l'institut des sciences des données de l'université d'Arizona (États-Unis), explique: "Le gaz à proximité des trous noirs se déplace à la même vitesse - presque aussi vite que la lumière - autour de Sgr A* et de M87*. Mais alors que le gaz met des jours, voire des semaines, à décrire une orbite autour du grand M87*, il ne met que quelques minutes à le faire autour de Sgr A*, beaucoup plus petit. Cela signifie que la luminosité et la configuration du gaz autour de Sgr A* changeaient rapidement pendant que la collaboration EHT l'observait - un peu comme si l'on essayait de prendre une photo claire d'un chiot qui court après sa queue."

Les chercheurs ont dû mettre au point de nouveaux outils sophistiqués pour tenir compte du mouvement du gaz autour de Sgr A*. Alors que M87* était une cible plus facile et plus stable, avec presque toutes les images se ressemblant, ce n'était pas le cas pour Sgr A*. L'image du trou noir de Sgr A* est une moyenne des différentes images que l'équipe a extraites, révélant enfin pour la première fois le géant qui se cache au centre de notre galaxie.

Cet effort a été rendu possible grâce à l'ingéniosité de plus de 300 chercheurs issus de 80 instituts du monde entier, qui forment ensemble la collaboration EHT. Outre la mise au point d'outils complexes pour relever les défis de l'imagerie de Sgr A*, l'équipe a travaillé rigoureusement pendant cinq ans, utilisant des superordinateurs pour combiner et analyser leurs données, tout en compilant une bibliothèque sans précédent de trous noirs simulés à comparer aux observations.

Les scientifiques sont particulièrement heureux de disposer enfin d'images de deux trous noirs de tailles très différentes, ce qui leur permet de comprendre comment ils se comparent et contrastent. Ils ont également commencé à utiliser ces nouvelles données pour tester des théories et des modèles sur le comportement du gaz autour des trous noirs supermassifs. Ce processus n'est pas encore totalement compris, mais on pense qu'il joue un rôle clé dans la formation et l'évolution des galaxies.

"Nous pouvons maintenant étudier les différences entre ces deux trous noirs supermassifs pour obtenir de nouveaux indices précieux sur le fonctionnement de cet important processus", a expliqué Keiichi Asada, scientifique de l'EHT, de l'Institut d'astronomie et d'astrophysique, Academia Sinica, Taipei. "Nous disposons d'images de deux trous noirs - l'un parmi les plus grand l’autre parmi les plus petits trous noirs supermassifs de l'Univers - ce qui nous permet d'aller beaucoup plus loin que jamais dans la vérification du comportement de la gravité dans ces environnements extrêmes."

Les progrès de l'EHT se poursuivent: une importante campagne d'observation en mars 2022 a mobilisé encore plus de télescopes que jamais auparavant. L'expansion continue du réseau EHT et les importantes mises à niveau technologiques permettront aux scientifiques de partager des images encore plus impressionnantes ainsi que des films de trous noirs dans un avenir proche.

Notes

(1) Les télescopes impliqués dans l'EHT en avril 2017, date à laquelle les observations ont été effectuées, sont les suivants: l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), l’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), the IRAM 30-meter Telescope, le James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), le Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), le Submillimeter Array (SMA), le UArizona Submillimeter Telescope (SMT), le South Pole Telescope (SPT). Depuis lors, l'EHT a ajouté le Greenland Telescope (GLT), le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) et le UArizona 12-meter Telescope on Kitt Peak à son réseau.

ALMA est un partenariat entre l'Observatoire européen austral (ESO ; Europe, représentant ses États membres), la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et les National Institutes of Natural Sciences (NINS) du Japon, ainsi que National Research Council (Canada), le ministère des Sciences et de la Technologie (MOST ; Taiwan), l'Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) et le Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI ; République de Corée), en coopération avec la République du Chili. L'Observatoire conjoint ALMA est exploité par l'ESO, l'Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) et le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). APEX, une collaboration entre l'Institut Max Planck de radioastronomie (Allemagne), l'Observatoire spatial d'Onsala (Suède) et l'ESO, est exploité par l'ESO. Le 30-meter Telescope est exploité par l'IRAM (les organisations partenaires de l'IRAM sont MPG [Allemagne], CNRS [France] et IGN [Espagne]). Le JCMT est exploité l'East Asian Observatory au nom de l'Observatoire Astronomique National du Japon, de l'ASIAA, du KASI, de l'Institut National de Recherche Astronomique de Thaïlande, du Center for Astronomical Mega-Science et des organisations au Royaume-Uni et au Canada. Le LMT est exploité par l'INAOE et l'UMass, le SMA est exploité par le Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian et l'ASIAA et le UArizona SMT est exploité par l'Université d'Arizona. Le SPT est exploité par l'Université de Chicago avec des instruments EHT spécialisés fournis par l'Université d'Arizona.

The Greenland Telescope (GLT) est exploité par l’ASIAA et le Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). Le GLT fait parti du projet ALMA-Taiwan, et es ten parti supporté par l’Academia Sinica (AS) et MOST. NOEMA est exploité par l’IRAM et l’UArizona 12-meter telescope at Kitt Peak est exploité par l’University of Arizona.

(2) Les recherches antérieures menées sur Sgr A* ont fourni une base solide pour l'interprétation de cette nouvelle image. Depuis les années 1970, les astronomes connaissent la source radio dense et brillante située au centre de la Voie lactée, dans la direction de la constellation du Sagittaire. En mesurant les orbites de plusieurs étoiles très proches de notre centre galactique sur une période de 30 ans, les équipes dirigées par Reinhard Genzel (directeur de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre à Garching près de Munich, en Allemagne) et Andrea M. Ghez (professeur au département de physique et d'astronomie de l'Université de Californie, à Los Angeles, aux États-Unis) ont pu conclure que l'explication la plus probable pour un objet de cette masse et de cette densité est un trou noir supermassif. Les installations de l'ESO (notamment le Very Large Telescope et leVery Large Telescope Interferometer) et l'Observatoire Keck ont été utilisés pour mener à bien ces recherches, qui ont toutes deux été récompensées par le prix Nobel de physique 2020.

(3) Les trous noirs sont les seuls objets que nous connaissons où la masse est proportionnelle à la taille. Un trou noir mille fois plus petit qu'un autre est également mille fois moins massif.
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