Première image d’un trou noir : l’institut grenoblois de radioastronomie a joué un rôle déterminant

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FOCUS – L’Institut grenoblois de radioastronomie millimétrique a joué un rôle essentiel pour obtenir la première image d’un trou noir. Un réseau de huit radiotélescopes sur quatre continents différents a en effet permis de la révéler au monde entier le 10 avril 2019. Parmi eux, celui de l’Institut grenoblois, dont la sensibilité a largement contribué à la précision de l’image inédite. Celle de l’ombre du trou noir supermassif situé au cœur de la galaxie M87.

 

 

Depuis une semaine, la toute pre­mière image d’un trou noir cir­cule sur tous les écrans de la pla­nète. Fruit d’une col­la­bo­ra­tion inter­na­tio­nale, elle a impli­qué près de deux cents cher­cheurs et ingé­nieurs sur quatre conti­nents. Dont, Cocorico !,  des Français de l’Institut de radio­as­tro­no­mie mil­li­mé­trique (Iram)* dont le siège est à Grenoble. Une per­cée scien­ti­fique, annon­cée en grande pompe, qui a fait l’ob­jet de six articles publiés le 10 avril 2019 dans Astrophysical Journal Letters.

 

Le télescope de 30 mètres de l’Iram, près de Grenade au sud de l’Espagne. © DiVertiCimes

Le téles­cope de 30 mètres de l’Iram, près de Grenade au sud de l’Espagne. © DiVertiCimes

 

Parmi les ins­tru­ments uti­li­sés, le radio­té­les­cope de l’Iram construit dans la Sierra Nevada sur la pro­vince de Grenade au sud de l’Espagne, s’est révélé indis­pen­sable. Sa spé­ci­fi­cité ? Cet outil, d’une hau­teur de 30 mètres, pos­sède une antenne unique, la plus sen­sible de l’Event hori­zon teles­cope (EHT). Autrement dit, du réseau des huit radio­té­les­copes** qui a per­mis d’obtenir l’image inédite.

 

 

Les trous noirs sont des astres très petits

 

Cette cap­ta­tion est d’autant plus extra­or­di­naire que les trous noirs sont des objets cos­miques extrê­me­ment denses. L’attraction gra­vi­ta­tion­nelle qu’ils exercent est si forte que rien, ni matière ni lumière, ne peut s’en échap­per.

 

Gros plan sur le halo central de la galaxie Messier 87. DR

Gros plan sur le halo cen­tral de la galaxie Messier 87.  DR

De sur­croît, mal­gré leurs masses extrêmes et leur influence consi­dé­rable sur leurs envi­ron­ne­ments, les trous noirs sont des astres très petits. Ce qui peut aussi expli­quer que leur obser­va­tion ne soit pas chose aisée.

 

Il a donc fallu trou­ver l’oiseau rare pour réa­li­ser cette toute pre­mière image. À savoir, un trou noir de masse excep­tion­nelle et si pos­sible, situé à proxi­mité rela­tive de la Terre. L’heureux élu ? Le trou noir au centre de la galaxie Messier 87 (M87) qui est situé tout de même à 55 mil­lions d’années-lumière de nous  !

 

 

Les scientifiques ont créé un immense télescope virtuel

 

Les scien­ti­fiques ont uti­lisé une tech­nique d’inter­fé­ro­mé­trie, qui exploite la rota­tion de notre pla­nète, pour créer un immense téles­cope vir­tuel d’une ouver­ture théo­rique égale au dia­mètre de la Terre. Ce, grâce à l’évolution du réseau EHT qui, en 2017, a relié pour la pre­mière fois huit obser­va­toires répar­tis sur quatre des six conti­nents de la pla­nète. À savoir, l’Europe, l’Amérique du nord et du sud ainsi que l’Antarctique.

 

En employant des hor­loges ato­miques ultra-pré­cises, les scien­ti­fiques des dif­fé­rents obser­va­toires sont par­ve­nus à syn­chro­ni­ser par­fai­te­ment leurs huit radio­té­les­copes res­pec­tifs. « Cette tech­nique a per­mis à l’EHT d’atteindre une sen­si­bi­lité et une réso­lu­tion spa­tiale (20 micro­se­condes d’arc) jamais obte­nues aupa­ra­vant », dévoilent les astro­phy­si­ciens.

 

 

« Quatre pétabits de données ont été enregistrées »

 

Une idée de la pré­ci­sion de l’EHT ? Elle est telle qu’il per­met­trait de lire depuis Paris un jour­nal situé à New York !

 

« Le trou noir a été observé par l’EHT les 5, 6, 10 et 11 avril 2017. Environ quatre péta­bits de don­nées ont alors été enre­gis­trées, avant d’être trai­tées par des super­cal­cu­la­teurs dédiés à Bonn en Allemagne et à Haystack  aux États-Unis », pré­cisent les cher­cheurs.

 

 

L’algorithme nommé Chirp (en Anglais, Continuous high-reso­lu­tion image recons­truc­tion using patch priors) a per­mis de com­bi­ner les don­nées col­lec­tées. Le tout pour recons­ti­tuer puis inter­pré­ter l’image du trou noir super­mas­sif (cf enca­dré 1).

 

 

Avec Noema, l’Iram permettra à l’EHT d’augmenter encore la qualité des images

 

L’Iram est le seul ins­ti­tut qui, depuis l’Europe, a par­ti­cipé à la cam­pagne de 2017 à l’origine de cette image (cf enca­dré 2). Et il entend bien s’ins­crire dura­ble­ment dans l’aventure, non sans sor­tir un nou­vel atout de sa manche.

 

En effet, depuis la fin de l’année 2018, Noema (pour “Northern exten­ded mil­li­me­ter array”), le deuxième obser­va­toire de l’Iram situé sur le pla­teau du pic de Bure dans le mas­sif du Dévoluy dans les Alpes fran­çaises, a rejoint le réseau EHT.

 

Observatoire Noema sur le plateau de Bure. © Iram

L’observatoire Noema sur le pla­teau de Bure. © Iram

Et pour cause, ses dix antennes extrê­me­ment sen­sibles en font le téles­cope le plus puis­sant du réseau dans l’hémisphère nord. De sur­croît, deux nou­velles antennes les rejoin­dront d’ici deux ans. « Avec Noema, l’Iram per­met­tra à l’EHT d’augmenter encore sa sen­si­bi­lité et la qua­lité des images que le réseau four­nira dans les pro­chaines années », affirment ainsi les experts en radio astro­no­mie de l’Institut gre­no­blois.

 

 

Véronique Magnin

 

 

* L’Iram a été fondé en 1979 par le centre natio­nal de la recherche scien­ti­fique (CNRS) et l’association alle­mande Max-Planck-Gesellschaft (MPG).

 

** En sus du téles­cope de l’Iram, le réseau EHT com­prend sept autres radio­té­les­copes. Notamment l’Alma et l’Apex situés dans le désert d’Atacama au nord du Chili. Mais aussi, le James Clerk Maxwell Telescope et le Submillimeter Array dans l’état d’Hawaï aux États-Unis. Ou encore, le Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano au Mexique et le Submillimeter Telescope dans l’état d’Arizona aux États-Unis. Enfin, le South Pole Telescope situé dans l’Antarctique.

 

 

Comment lire la toute première image d’un trou noir ?

 

« C’est l’ombre du trou noir, qui se détache sur un fond brillant »

 

Que voit-on sur cette image ? Une struc­ture en forme d’anneau avec une région cen­trale cir­cu­laire et obs­cure. Les cher­cheurs inter­prètent cette der­nière comme « l’ombre du trou noir, qui se détache sur un fond brillant ». Ne cachant pas leur admi­ra­tion, « c’est exac­te­ment ce que pré­dit la rela­ti­vité géné­rale d’Einstein », sou­lignent-ils.

 

Sa masse est 6,5 milliards de fois supérieure à celle de notre Soleil

 

Les astro­phy­si­ciens exultent. « Cette ombre, com­bi­nai­son de dévia­tions gra­vi­ta­tion­nelles de la lumière, regorge d’informations sur la nature de ces objets fas­ci­nants ».

 

Première image de l’ombre d’un trou noir : le trou noir supermassif du centre de la galaxie M87, observé par le réseau EHT. © Collaboration EHT

Première image de l’ombre d’un trou noir : le trou noir super­mas­sif du centre de la galaxie M87, observé par le réseau EHT. © Collaboration EHT

 

Une chose est sure, elle a per­mis aux cher­cheurs de mesu­rer l’énorme masse de l’astre énig­ma­tique. Résultat des courses ? Le trou noir super­mas­sif de la galaxie M87 pos­sède une masse 6,5 mil­liards de fois supé­rieure à celle du Soleil. Et sa lar­geur atteint 20 mil­liards de kilo­mètres, soit à peine deux fois notre sys­tème solaire.

 

Autour, « un plasma chaud de gaz »

 

Quant au halo orange sur l’i­mage, il cor­res­pond à la matière sur­chauf­fée autour du trou noir,« un plasma chaud de gaz », décrivent les scien­ti­fiques. Et  d’expliquer que « sa lumière est déviée et ren­for­cée par le trou noir qui agit comme une len­tille ».

 

Quid de l’asymétrie entre la par­tie brillante dans le bas de l’anneau et celle moins brillante en haut ? Il s’a­git  « d’une signa­ture très claire de la défor­ma­tion de l’image engen­drée par la pré­sence du trou noir ». De plus, se féli­citent-ils, « elle cor­res­pond exac­te­ment à ce que les simu­la­tions numé­riques avaient pré­dit ».

 

Les partenaires de l’Iram lors de la campagne d’observation 2017

 

Outre l’Iram, douze ins­ti­tuts par­te­naires com­posent le consor­tium EHT : l’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, l’u­ni­ver­sité d’Arizona, l’u­ni­ver­sité de Chicago, l’East Asian Observatory, le Goethe-Universität de Francfort, le Large Millimeter Telescope, le Max Planck Institute for Radio Astronomy, le Massachusetts Institute of Technology (MIT). Mais aussi : Haystack Observatory, le National Astronomical Observatory du Japon, le Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University et le Smithsonian Astrophysical Observatory.

 

Quatorze millions d’euros d’aides européennes

 

« Des ins­ti­tu­tions de recherche ainsi que des finan­ce­ments euro­péens ont joué un rôle déci­sif dans ce pro­jet mon­dial, à tra­vers la par­ti­ci­pa­tion de téles­copes euro­péens de pre­mier rang et le sou­tien du Conseil euro­péen de la recherche (CER) au pro­jet BlackHoleCam, doté de 14 mil­lions d’euros d’aides euro­péennes », indique le com­mu­ni­qué.

 

En plus de l’Iram, la France a contri­bué éga­le­ment à l’EHT avec l’observatoire Alma, au Chili, auquel elle par­ti­cipe en tant que membre de l’Observatoire euro­péen aus­tral (ESO).

 

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