Première photo d’un trou noir : moment historique pour l’astronomie

Le 10 avril dernier, la collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHT) a révélé la première véritable photo d’un trou noir de l’histoire. Un exploit scientifique et la promesse d’avancées futures tant sur ces objets célestes mystérieux que dans l’astronomie toute entière.
La première véritable photo d’un trou noir de l’histoire. © Event Horizon

Des simulations et des représentations d’artistes peuplaient notre imaginaire depuis des décennies. Mais ce 10 avril, c’est une image réelle qu’a révélée la collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHT) sur un trou noir situé à 55 millions d’années lumière de nous.

Les scientifiques connaissaient déjà bien l’objet, nommé M87*, depuis des années. Bien qu’il soit invisible, ils connaissaient son emplacement par l’observation des trajectoires des étoiles environnantes. Équivalent à 6.5 milliards de masses solaires, M87* est ce qu’on appelle un trou noir supermassif, à l’image de sa galaxie, Messier 87 : elle représenterait 20 fois notre Voie Lactée (4 000 milliards de masses solaires contre 200 milliards pour notre galaxie).

Les images ont même permis de montrer les jets de matière propulsés par M87*. L’un des jets, bien qu’il soit bien trop loin pour nous atteindre, se forme dans la direction de la Voie Lactée.

Les astronomes ont même pu observer les jets de matière émis par M87*. © Nasa, JPL-Caltech, IPAC, Event Horizon
Mystère de la science

Les trous noirs sont un des plus grands questionnements de la science depuis presque exactement un siècle. Depuis 1915 et la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, les travaux scientifiques ont tendu à démontrer qu’ils résultent d’une déformation ou même d’une déchirure de l’espace temps.

Il existe deux types de trous noirs : tout d’abord, les trous noirs stellaires, formés par l’effondrement d’une étoile très massive (environ trente fois la masse du soleil) sur elle-même. Ils sont malheureusement bien souvent trop petits pour être observés par les télescopes actuels. La plupart d’entre eux, bien qu’extrêmement denses, ne seraient pas plus grands que Paris intra-muros. Raison pour laquelle les scientifiques ont choisi un trou noir appartenant à l’autre catégorie : un trou noir supermassif, comme il s’en forme des dizaines au cœur de toutes les galaxies. Il en existe par exemple un dans notre Voie Lactée : Sagittarius A*.

Selon la théorie de la relativité générale, l’espace et le temps sont des dimensions intrinsèquement liées. Si les objets célestes sont très volumineux, cet espace-temps est déformé. ©astronomes.com

Le trou noir est constitué d’une singularité : un point sans volume ni surface où la densité s’approche de l’infini. Autour de cette singularité, l’espace-temps est tellement déformé que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. C’est la raison pour laquelle la zone qui l’entoure est entièrement sombre. Cette zone est définie par ce qu’on appelle « l’horizon des événements ».

Le champ gravitationnel du trou noir est si important qu’il dévie jusqu’à la lumière. Si un observateur se trouve exactement dans l’axe du trou noir, il peut alors observer ce qu’on appelle un effet de lentille gravitationnelle : la lumière venant de l’autre côté du trou noir a été déviée pour parvenir jusqu’à notre œil, formant ce qu’on appelle un « anneau d’Einstein ». Cet anneau est le reflet déformé de ce qui se trouve de l’autre côté du trou noir.

L’effet de lentille gravitationnelle forme un anneau d’Einstein autour de l’objet, comme l’a capté Hubble – ici autour d’une étoile et non d’un trou noir. © ESA/Hubble NASA
Prouesse scientifique

Bien que les trous noirs soient nombreux dans l’univers, il est difficile d’en trouver un qui puisse être facilement observable. Les scientifiques de l’EHT ont choisi M87* pour sa taille colossale. Il est néanmoins beaucoup plus lointain que Sagittarius A*, donc plus difficile à observer, car la poussière cosmique qui se situe entre la Terre et Messier 87 rendrait toute image illisible.

Les scientifiques de l’EHT ont donc choisi d’utiliser des ondes radio, qui ont l’avantage de traverser la poussière cosmique. Le problème, c’est que cela n’offre qu’une faible résolution, là où la distance qui nous sépare du trou noir nécessite au contraire une résolution très importante.

Les astronomes ont utilisé la technique de l’interférométrie : plutôt qu’un immense télescope, ils ont utilisé un réseau de plusieurs télescopes répartis tout autour du globe. Ces instruments doivent donc être synchronisés à la nanoseconde près, et pointer la cible tous en même temps. Un projet titanesque, puisqu’ils forment ainsi l’équivalent d’un radiotélescope de la taille de la Terre.

Le projet a nécessité l’étroite collaboration de plusieurs observatoires, qui ont tous été minutieusement choisis. Ils devaient par exemple être équipés d’une horloge atomique, pour pouvoir être parfaitement synchronisés.

Porte ouverte vers de nouvelles découvertes

Plus qu’une démonstration, cette première véritable image est plutôt venue conforter ce que des scientifiques théorisent depuis des décennies.

« Les ondes gravitationnelles en 2015 étaient déjà la preuve directe de l’existence des trous noirs. Maintenant, ce qui intéresse les astronomes ce n’est plus tant de prouver l’existence de ces objets, mais d’étudier comment ils interagissent avec leur environnement. C’est ce que va permettre leur observation. » Alain Riazuelo,  chargé de recherche CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris et membre de l’équipe Planck HFI

Des observations complémentaires devraient permettre de mieux observer les trous noirs d’ici quelques années. L’Observatoire de Paris a mis au point l’instrument Gravity, qui fonctionne sur le même principe que l’EHT. Depuis deux ans, Gravity suit l’étoile S2, qui se trouve à proximité de Sagittarius A*.

Les deux interféromètres pourraient bien se révéler complémentaires : « On synthétise l’image en utilisant 4 télescopes de 8 mètres pour obtenir une image ou information spatiale équivalente à la résolution d’un télescope de 140 mètres de diamètre », explique Guy Perrin, l’instigateur de Gravity pour France Culture. « On peut observer l’émission des étoiles à proximité du trou noir, et donc, à l’aide de leurs orbites, reconstituer les horizons du trou noir. C’est quelque chose que ne peut pas faire EHT. Par contre, nous n’aurions pas pu capter une image comme celle qu’a révélée EHT. Ensemble, ces observations pourraient nous permettre de rechercher plus d’informations sur l’horizon des événements, par exemple. »

Car si les trous noirs sont aussi fascinants, c’est qu’ils se trouvent au cœur de plusieurs théories fondamentales de la physique. Ils rendent par exemple incompatibles la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein et la physique quantique de Stephen Hawking. Ils forcent donc les scientifiques à pousser plus loin leurs analyses ; à faire progresser encore un peu plus la science moderne.

Raphaëlle Denis

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