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Après l’avoir suivi pendant cinq nuits, des scientifiques ont révélé au monde l’image d’un trou noir supermassif au cœur de la galaxie M87. Une image obtenue par la collaboration internationale Event Horizon Telescope.
Un moment historique.
Notre groupe est resté dehors afin de profiter du paysage. Et malgré le froid glacial, la vue en vaut la peine. Au loin, les contreforts de la Sierra Nevada, partiellement enneigés, se détachent sur le bleu éclatant du ciel, formant un escalier dont les marches descendent vers la plaine brumeuse qui abrite la ville de Grenade. Juste devant nous, une grande partie de l’horizon est cachée par une énorme parabole blanche, la vaste antenne d’un radiotélescope qui a contribué à élucider l’un des plus grands mystères de l’Univers.
Là où rien n’échappe
« Voici le télescope de 30 mètres de l’IRAM qui a contribué à générer la toute première image d’un trou noir », annonce fièrement Frédéric Gueth, chercheur au CNRS et directeur adjoint de l’IRAM1, en se dirigeant vers une porte située à la base de l’immense installation. Car c’est ici, en avril 2017, à 2850 mètres d’altitude sur les pentes du Pico Veleta d’Andalousie, dans le sud de l’Espagne, qu’a été collectée une partie des quatre pétaoctets de données ayant permis de produire l’extraordinaire image dévoilée aujourd’hui par la collaboration internationale « Event Horizon Telescope » (EHT). L’image montre un anneau lumineux entourant une région circulaire sombre : il s’agit ni plus ni moins de l’ombre de M87*, le trou noir super-massif qui se trouve au centre de la galaxie M87.
Le radiotélescope de 30 m de l’Institut de radioastronomie millimétrique, situé dans la Sierra Nevada en Espagne, est l’un des 8 observatoires dont les données ont permis d’obtenir l’image du trou noir M87*.
Pour comprendre la signification de cette observation, il faut revenir plus d’un siècle en arrière, en 1915, lorsqu’Albert Einstein expose sa théorie générale de la relativité. Celle-ci montre pour la première fois que des objets aussi massifs que des étoiles peuvent, dans certaines conditions, s’effondrer sous l’effet de leur propre gravité pour former une région de l’espace d’où rien, ni matière ni lumière, ne peut s’échapper : un trou noir. Contrairement à ce que l’on croyait initialement, un tel objet ne peut être réduit à un point ou à une singularité perdue dans l’immensité de l’espace. Il est délimité par une frontière intangible, invisible, appelée « horizon des événements », au-delà de laquelle rien ne peut jamais s’échapper.
La confirmation de la relativité générale
C’est l’existence de cet horizon des événements entourant un trou noir qui est mise en évidence par l’image publiée par la collaboration EHT. Cette découverte, qui fait l’objet de six articles dans Astrophysical Journal Letters, confirme également, pour la première fois directement, la validité des équations de la relativité générale d’Einstein dans un régime de champs gravitationnels forts. Cependant, il n’a pas été facile d’en arriver là. Alors que nous entrons dans la salle de contrôle d’où fonctionne sur écran l’immense télescope qui effectue des observations dans le domaine des longueurs d’onde millimétriques, Frédéric Gueth explique que « sur le fond du ciel, un horizon des événements ressemble à un disque parfaitement noir, un peu aplati ». Ainsi, les télescopes ne pourraient rien détecter, sauf peut-être un type particulier de rayonnement théorisé par le physicien britannique Stephen Hawking.
Comment comprendre l’image d’un trou noir ?
« Heureusement, les trous noirs sont rarement des étoiles isolées », note le scientifique. « Ceux observés au centre des galaxies sont situés dans des régions riches en étoiles, en poussières et en gaz ». Cette matière tourne autour du trou noir, formant un disque d’accrétion qui, en se réchauffant, produit un type caractéristique de rayonnement intense. Cependant, à mesure que la matière est arrachée à cette structure en forme d’anneau, elle traverse l’horizon des événements et devient invisible. Cela finit par créer une région sombre sur un fond clair, l' »ombre » du trou noir.
La détermination de l’image d’un tel objet vue par un observateur lointain n’est cependant pas des plus intuitives. Dès 1979, Jean-Pierre Luminet, jeune chercheur CNRS au LAM2 et à l’Observatoire de Paris3, l’a modélisée en tenant compte des propriétés physiques de la matière soumise à ces conditions infernales et de la manière dont la structure de l’espace-temps – en particulier le trajet suivi par les rayons lumineux lorsqu’ils le traversent – est affectée par la gravité du trou noir. L’image publiée par l’équipe de l’EHT montre l’ombre de M87* avec le disque incliné à un angle d’environ 60° et tournant dans le sens des aiguilles d’une montre. Dans le halo lumineux qui entoure la région centrale sombre, on peut voir une zone qui est plus lumineuse d’un seul côté. Ceci est caractéristique d’une image déformée par la présence d’un trou noir.
Modèle informatique d’un disque d’accrétion de gaz autour d’un trou noir par l’astrophysicien Jean-Pierre Luminet. La forte courbure de l’espace déforme l’image du disque, montrant simultanément le haut et le bas.