Des astronomes ont annoncé jeudi avoir percé le voile de ténèbres et de poussière au centre de notre galaxie, la Voie lactée, pour capturer la première image du “gentil géant” qui y habite : un trou noir supermassif, une trappe dans l’espace-temps à travers laquelle le l’équivalent de quatre millions de soleils ont été envoyés dans l’éternité, ne laissant derrière eux que leur gravité et leur espace-temps violemment déformé.
L’image, publiée lors de six conférences de presse simultanées à Washington et dans le monde entier, montrait un beignet grumeleux d’émissions radio encadrant un espace vide. Des oh et des ah ont éclaté au National Press Club de Washington lorsque Feryal Özel de l’Université de l’Arizona a affiché ce qu’elle a appelé “la première image directe du gentil géant au centre de notre galaxie”. Elle a ajouté: “Il semble que les trous noirs aiment les beignets.”
Le Dr Özel fait partie du projet Event Horizon Telescope, une collaboration de plus de 300 scientifiques de 13 institutions qui exploite un réseau mondial sans cesse croissant de télescopes qui composent un grand télescope aussi grand que la Terre. Les résultats de l’équipe ont été publiés jeudi dans The Astrophysical Journal Letters.
“J’ai rencontré ce trou noir il y a 20 ans et je l’ai adoré et j’ai essayé de le comprendre depuis”, a déclaré le Dr Özel. “Mais jusqu’à présent, nous n’avions pas l’image directe.”
En 2019, la même équipe a capturé une image du trou noir dans la galaxie Messier 87, ou M87. Cette image, la toute première prise d’un trou noir, est désormais conservée au Museum of Modern Art de New York. “Nous avons vu ce que nous pensions être” invisible “”, a déclaré à l’époque Sheperd Doeleman, astronome au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Les astronomes ont déclaré que le nouveau résultat conduirait à une meilleure compréhension de la gravité, de l’évolution des galaxies et de la façon dont même des nuages d’étoiles d’apparence placide comme notre majestueux moulinet d’étoiles, la Voie lactée, peuvent générer des quasars, d’énormes geysers d’énergie qui peuvent être vus à travers l’univers.
La nouvelle réaffirme également un article prémonitoire de 1971 de Martin Rees de l’Université de Cambridge et de son collègue Donald Lynden-Bell, décédé en 2018, suggérant que les trous noirs supermassifs étaient la source d’énergie des quasars. Dans un e-mail, le Dr Rees a qualifié le nouveau résultat de “réussite logistique (et j’ai aimé les modèles informatiques)”.
Le Dr Özel a déclaré que la similitude de la nouvelle image avec celle de 2019 démontrait que l’image précédente n’était pas une coïncidence. Dans une interview, Peter Galison, physicien et historien à Harvard et membre de la collaboration, a noté que le trou noir M87 était 1 500 fois plus massif que celui de la Voie lactée ; typiquement en physique ou en astronomie, quand quelque chose augmente d’un facteur 10 ou plus, tout change. “La similitude à une échelle aussi immense est étonnante”, a déclaré le Dr Galison.
Lors de l’événement de presse de jeudi, Michael Johnson, membre de l’équipe et également du Harvard-Smithsonian Center, a déclaré : “Il s’agit d’une vérification extraordinaire de la théorie de la relativité générale d’Einstein.”
Le mauvais rêve d’Einstein
Les trous noirs étaient une conséquence indésirable de la théorie générale de la relativité, qui attribuait la gravité à la déformation de l’espace et du temps par la matière et l’énergie, de la même manière qu’un matelas s’affaisse sous un dormeur.
La perspicacité d’Einstein a conduit à une nouvelle conception du cosmos, dans laquelle l’espace-temps pouvait trembler, se plier, se déchirer, se dilater, tourbillonner et même disparaître à jamais dans la gueule d’un trou noir, une entité avec une gravité si forte que même la lumière ne pouvait s’échapper. ce.
Einstein a désapprouvé cette idée, mais l’univers est maintenant connu pour être parsemé de trous noirs. Nombreux sont les restes d’étoiles mortes qui se sont effondrées sur elles-mêmes et ont continué à avancer.
Mais il semble y avoir un trou noir au centre de presque toutes les galaxies, y compris la nôtre, qui peut être des millions ou des milliards de fois plus massif que notre soleil. Les astronomes ne comprennent toujours pas comment ces trous noirs supermassifs sont devenus si gros.
Paradoxalement, malgré leur capacité à avaler la lumière, les trous noirs sont les objets les plus lumineux de l’univers. Les matériaux – gaz, poussière, étoiles déchiquetées – qui tombent dans un trou noir sont chauffés à des millions de degrés dans un maelström dense de champs électromagnétiques. Une partie de cette matière tombe dans le trou noir, mais une partie est projetée par d’énormes pressions et champs magnétiques.
De tels feux d’artifice – les quasars – peuvent éclipser mille fois les galaxies. Leur découverte au début des années 1960 a conduit les physiciens et les astronomes à prendre au sérieux l’idée que les trous noirs existaient.
Ce qui a donné naissance à de tels mastodontes du néant est un mystère. Des rides denses dans les énergies primordiales du Big Bang ? Des étoiles monstrueuses en fuite qui se sont effondrées et ont consumé leur environnement dans les premières années de l’univers ?
Depuis 1974, on sait que le centre de la Voie lactée coïncide avec une faible source de bruit radio appelée Sagittarius A* (prononcé Sagittarius A-star).
Des astronomes, dont Andrea Ghez de l’Université de Californie à Los Angeles et Reinhard Genzel de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre, avaient calculé que tout ce qui s’y trouvait avait la masse de 4,14 millions de soleils et était confiné dans une sphère de la taille de l’orbite de Mercure autour du soleil. . Ils sont parvenus à cette estimation en suivant les orbites des étoiles et des nuages de gaz tourbillonnant autour du centre de la Voie lactée et en mesurant leurs vitesses à un tiers de la vitesse de la lumière. Pour leur réalisation, le Dr Genzel et le Dr Ghez ont remporté le prix Nobel de physique en 2020.
Qu’est-ce que le Sagittaire A* pourrait être d’autre qu’un trou noir ?
Chassant une ombre
Prouver qu’il s’agissait d’un trou noir était un tout autre travail. Voir c’est croire.
En 1967, le physicien James Bardeen a proposé qu’un trou noir soit visible pour les observateurs sous la forme d’un cercle noir fantomatique au milieu d’un brouillard d’ondes radio.
La gravité d’un trou noir déformera et agrandira son image, résultant – dans le cas du Sagittaire A * – en une ombre d’environ 80 millions de kilomètres de diamètre, apparaissant à peu près aussi grande de la Terre qu’une orange le serait sur la lune, selon des calculs effectués en 2000 par Eric Agol de l’Université de Washington, Heino Falcke de l’Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne et Fulvio Melia de l’Université d’Arizona.
Depuis lors, les astronomes essaient d’aiguiser l’acuité de leurs télescopes pour résoudre l’ombre de cette orange. Mais les électrons et les protons ionisés dans l’espace interstellaire dispersent les ondes radio dans un flou qui obscurcit les détails de la source. “C’est comme regarder à travers la vitre d’une douche”, a récemment déclaré le Dr Doeleman.
Pour voir plus profondément dans l’ombre du trou noir, les chercheurs devaient pouvoir régler leurs radiotélescopes sur des longueurs d’onde plus courtes qui pourraient pénétrer la brume. Et ils avaient besoin d’un plus grand télescope.
En 2009, le Dr Doeleman et ses collègues ont formé le télescope Event Horizon, nommé d’après le point de non-retour autour d’un trou noir. Aujourd’hui, le projet collaboratif emploie 11 radiotélescopes différents à travers le monde.
L’équipe a remporté son premier triomphe en avril 2019, lorsqu’elle a présenté une image du trou noir M87. En 2021, les membres de l’équipe ont affiné leurs données pour révéler des champs magnétiques tourbillonnant autour du trou noir comme un canon de fusil finement rainuré pompant de la matière et de l’énergie dans le vide.
Les données de Sagittarius A* ont été enregistrées au cours de la même campagne d’observation en 2017 qui a produit l’image M87, mais avec plus d’antennes – huit au lieu de sept – car l’équipe a pu inclure un télescope du pôle Sud qui ne pouvait pas voir M87.
Le trou noir de la Voie lactée est un “gentil géant” comparé à celui de M87, qui envoie des quasars dans l’espace. “Si notre trou noir était une personne”, a déclaré le Dr Johnson à propos du Sagittaire A *, “son régime alimentaire consisterait en un grain de riz tous les millions d’années”.
Il est vorace et brillant “mais inefficace”, a-t-il ajouté. « Il ne produit que quelques centaines de fois plus d’énergie que le soleil, bien qu’il soit quatre millions de fois plus massif. Et la seule raison pour laquelle nous pouvons l’étudier, c’est parce qu’il se trouve dans notre propre galaxie.
Notre trou noir était plus difficile à observer que celui de M87 pour une autre raison : à moins d’un millième de la masse et de la taille du trou M87, le nôtre évolue plus de mille fois plus vite, changeant d’apparence aussi souvent que toutes les cinq minutes . Le Dr Özel l’a décrit comme “des gazouillis et des gargouillements”.
En revanche, le trou noir M87 bouge à peine pendant une semaine d’observation, “comme le Bouddha, juste assis là”, a déclaré le Dr Doeleman.
“Donc, au cours d’une nuit d’observation, cela change pendant que vous collectez des données. Vous essayez de prendre une photo de quelque chose sans le capuchon de l’objectif et vous obtenez ce désordre flou.
Jeudi, Katherine Bouman, membre de l’équipe et informaticienne du California Institute of Technology, a déclaré que faire une image à partir des 3,5 pétaoctets de données des observations était “comme écouter une chanson jouée sur un piano qui a beaucoup de touches manquantes.”
À l’aide d’une technique appelée interférométrie à très longue base, les antennes du réseau ont été jumelées les unes aux autres, comme des individus se serrant la main à tout le monde dans une foule. Plus il y a de télescopes dans le réseau, plus de telles poignées de main peuvent être effectuées et leurs résultats comparés. Des algorithmes informatiques pourraient alors commencer à remplir les données manquantes et simuler la structure possible du disque du trou noir.
La plupart de ces simulations dépeignaient un anneau à peu près aussi grand que l’orbite de Mercure, conformément aux prédictions des équations d’Einstein et aux observations du Dr Genzel et du Dr Ghez.
“Étonnamment, nos découvertes corroborent les prédictions faites il y a plus de 100 ans”, a déclaré Lia Medeiros, membre de l’équipe et astrophysicienne à l’Institute for Advanced Study de Princeton, NJ.
Tout n’est pas parfait, cependant. Les simulations informatiques ont estimé que le trou noir devrait être plus bruyant et plus turbulent. “Il manque quelque chose”, a déclaré Priya Natarajan, une astronome de l’Université de Yale qui étudie les trous noirs et la formation des galaxies.
Le prochain objectif du Dr Doeleman est d’étendre le réseau pour inclure plus d’antennes et d’obtenir une couverture suffisante pour produire un film sur le trou noir de la Voie lactée. Le défi pour le cinéma des trous noirs sera de délimiter la structure sous-jacente du trou noir de la matière qui s’y déplace.
Kip Thorne, lauréat du prix Nobel et expert en trous noirs à Caltech, a déclaré qu’il attendait avec impatience des films fiables sur le flux de gaz autour du trou noir : “C’est là que de nouvelles informations majeures et peut-être des surprises pourraient venir.”
Les résultats pourraient être spectaculaires et instructifs, a convenu Janna Levin, théoricienne de la gravitation au Barnard College de l’Université de Columbia, qui ne faisait pas partie du projet. “Je ne m’ennuie pas encore avec des images de trous noirs”, a-t-elle déclaré.
Read more Tech News in French
Source
