Première image d'un trou noir, ce monstre de l’espace

Photo: COurtoisie / Observatoire européen austral Ce que l’Event Horizon Telescope a capté est en fait la silhouette du trou noir supermassif M87. Essentiellement, l’image nous montre ce qui borde le trou noir et est illuminé par les gaz chauds qui sont derrière lui.

Même Einstein, qui avait pourtant prédit leur existence, doutait que la nature ait pu générer des objets aussi étranges. Et voilà qu’une équipe de plus de 200 chercheurs nous présente la toute première preuve visuelle directe de leur présence dans notre univers.

L’image qu’on nous donne à voir surprend en soi, ne serait-ce que par le fait qu’un trou noir est un objet céleste qui est invisible, car sa gravité est si forte qu’elle ne laisse rien échapper de ce qui s’est engouffré en son sein, ni même la lumière.

Mais ce que l’Event Horizon Telescope a capté est en fait la silhouette du trou noir supermassif M87, qui est situé à 55 millions d’années-lumière de la Terre, au centre de la galaxie Messier 87. Essentiellement, l’image nous montre ce qui borde le trou noir et est illuminé par les gaz chauds qui sont derrière lui.

Un trou noir est un objet très massif et très compact qui est bordé par une frontière, qu’on appelle l’horizon. À l’intérieur de cette frontière, tout est aspiré vers le trou noir sans pouvoir s’en échapper en raison de son énorme force de gravité. Par contre, la matière et la lumière qui se trouvent à l’extérieur de l’horizon réussissent généralement à se dérober à l’attraction gravitationnelle du trou noir.

La partie sombre au centre du disque correspond donc à l’intérieur de l’horizon du trou noir. Sa taille nous renseigne sur la quantité de masse que renferme le trou noir, soit 6,5 milliards de fois la masse du Soleil pour M87.

Ce coeur sombre est entouré d’un anneau brillant situé quant à lui à l’extérieur de l’horizon et dont la lumière est celle émise par les gaz et la matière se trouvant très près du trou noir.

« La très forte gravité du trou noir entraîne la matière et les gaz à tourbillonner autour et vers le trou noir à une vitesse proche de celle de la lumière. Ce mouvement induit beaucoup de frottement entre les particules qui peuvent ainsi atteindre une température de 10 millions de degrés Celsius. Quand un gaz est aussi chaud que ça, il émet beaucoup de lumière », explique Julie Hlavacek-Larrondo qui détient une chaire de recherche du Canada en astrophysique observationnelle des trous noirs.

Ce qui a réjoui le plus les chercheurs qui ont participé à cet exploit astronomique est le fait que les images du trou noir M87 confirment exactement la théorie de la relativité générale d’Einstein. 

Ces objets semblaient tellement étranges [à Albert Einstein] qu’il ne croyait pas qu’ils puissent exister et il a ignoré ses résultats

« En 1915, Einstein publie sa théorie, dont les équations prédisent clairement l’existence de trous noirs. Mais il se demandait comment la nature pouvait créer des objets aussi compacts et dotés d’une gravité aussi forte. Ces objets lui semblaient tellement étranges qu’il ne croyait pas qu’ils puissent exister et il a ignoré ses résultats. Puis, cinquante ans se sont écoulés avant que les astronomes fassent des observations indiquant que les trous existaient bel et bien », relate la chercheuse de l’Université de Montréal.

Ainsi, « selon la relativité générale, les trous noirs sont si massifs, leur gravité est si forte, qu’ils courbent la lumière qui se trouve à proximité de leur horizon », rappelle la professeure de l’Université McGill Daryl Haggard, qui est coauteure de deux des six articles publiés mercredi dans The Astrophysical Journal Letters au sujet de cette première image d’un trou noir.

Ce phénomène expliquerait ainsi en partie l’asymétrie de la luminosité de l’anneau entourant l’ombre du trou noir.

« Certaines régions de l’anneau sont plus brillantes parce que la lumière arrive à échapper plus facilement à l’attraction du trou noir que dans d’autres régions, comme celles derrière le trou noir, ajoute Mme Hlavacek-Larrondo.

« De plus, quand on regarde le disque qui est en rotation avec une certaine inclinaison, la lumière émise par le gaz qui se dirige vers nous sera plus brillante que celle du gaz qui s’éloigne de nous dont les photons auront du mal à atteindre nos yeux puisqu’ils s’écartent de nous au lieu de s’en rapprocher. »

Défi scientifique

Pourquoi a-t-il été si difficile d’obtenir une telle image ?

« Les trous noirs sont très loin de nous et leur lumière n’est pas très brillante. Mais surtout, ils sont très petits. Ils font tout au plus quelques fois la taille de notre système solaire. Il nous fallait donc un télescope capable de fournir des images d’une très grande précision, qui permettrait, par exemple, de lire un journal à New York depuis un café à Paris », affirme Mme Haggard.

Pour obtenir une telle précision d’image, un télescope de la taille de la Terre était nécessaire. Comme on ne pouvait pas construire un miroir d’une telle dimension, on a fait appel à huit radiotélescopes, soit huit antennes posées en hautes altitudes, notamment sur les volcans d’Hawaï et du Mexique, sur les montagnes de l’Arizona et de la Sierra Nevada espagnole, dans le désert chilien d’Atacama et en Antarctique.

Les signaux captés par chacune de ces antennes ont été rassemblés et corrélés par une technique appelée interférométrie à très longue base.

Les images de M87 ont donc été synthétisées à partir des ondes millimétriques — ayant des longueurs d’onde un peu plus courtes que les ondes radio — émises par le trou noir, et captées par cet éventail de radiotélescopes dénommé Event Horizon Telescope (EHT).

Mais l’analyse de ces signaux a été très ardue et a nécessité le développement de nouvelles technologies et la collaboration de plus de 200 chercheurs de 59 institutions à travers le monde. Cela a pris deux ans pour analyser et interpréter les observations captées du 5 au 11 avril 2017 et synthétiser l’image que nous découvrons aujourd’hui.