Pourquoi la première photo d'un trou noir est historique

Pourquoi la première photo d'un trou noir est historique

Une collaboration internationale d’astronomes a présenté le premier cliché d’un trou noir, un corps gigantesque de plus de 6 milliards de fois la masse de notre Soleil, au cœur de la galaxie M87. On vous explique pourquoi c'est historique.

Au premier regard, c’est un simple halo de lumière jaune orangé, flou et asymétrique, qui se détache sur un fond noir. Ce que l’on est en train de regarder est pourtant l’une des choses les plus fascinantes du XXIe siècele : nous avons devant les yeux, pour la première fois de l’Histoire, le portrait d’un trou noir. Un vrai. Pas une simulation ni une vue d’artiste, mais un objet bien réel situé au cœur de la galaxie M87, à 50 millions d’années-lumière. Le fruit d’une observation simultanée par huit radiotélescopes dans le monde entier en avril 2017, dans le cadre de la grande collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHT), financée en partie par l'Union européenne.

C’est un résultat si exceptionnel qu’il vient de faire mercredi l’objet de six conférences de presse coordonnées dans le monde entier: à Bruxelles (Belgique), Washington (États-Unis), Tokyo (Japon), Santiago (Chili), Shanghaï (Chine) et Taïpei (Taïwan). C’était probablement devenu ces dernières semaines le secret le plus difficile à garder de toute la communauté scientifique. Six publications sont parues sur le site internet de la revue The Astrophysical Journal Letters pour détailler les méthodes et les conclusions de ces observations.

Un corps hyper massif mais de "petite" taille

Commençons peut-être par rappeler en préambule de quoi nous parlons exactement. Un trou noir se forme lorsqu’une masse devient si concentrée qu’elle déchire l’espace-temps, formant un puits sans fond gravitationnel. Rien, pas même la lumière, ne peut alors s’en échapper s’il s’en approche de trop près. La limite au-delà de laquelle tout reste piégé dans un trou noir, sans possibilité d’en ressortir définit ainsi une sphère parfaite d’un noir absolu. Les astronomes parlent d’«horizon des événements» (d’où le nom de la collaboration). Cette frontière immatérielle ne peut évidemment se voir que par contraste sur un fond lumineux. En l’occurrence, les théoriciens espéraient que le gaz qui s’enroule autour du trou noir juste avant d’y être avalé pourrait fourni une sorte d’écran naturel sur lequel se dessinerait sa silhouette. Pari réussi!

«Nous observons très exactement ce qui était prévu, c’en est presque décevant», plaisante Frédéric Gueth, directeur adjoint de l’Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM), dont l’antenne de 30 mètres perchée au sommet du Pico Veleta, près de Grenade, en Espagne, a participé aux campagnes d’observations. «La véritable surprise, c’est que nous ayons obtenu cette image aussi rapidement. Le défi technologique était insensé.»

Un trou noir est par définition un objet nécessairement petit. Celui qui se niche au centre de notre galaxie a beau être hypermassif, 4 millions de fois la masse de notre Soleil, son horizon ne mesure pas plus de 20 fois le diamètre de notre étoile! C’est une tête d’épingle sombre perdue dans l’immensité du centre galactique. Il faudrait en théorie une antenne de la taille de la Terre pour arriver à en discerner les contours! Comme il est évidemment impossible de construire un tel engin, les astronomes ont recours à une ruse: ils utilisent des télescopes répartis sur la planète et combinent les signaux obtenus pour reconstituer une antenne virtuelle dont la résolution est équivalente. C’est ce qu’on appelle la technique d’interférométrie à très longue base, ou VLBI en anglais.

Deux cibles visées en même temps

Pendant quatre journées en avril 2017, les radiotélescopes les plus modernes et les plus sensibles de la planète ont ainsi observé en même temps le trou noir central de notre propre galaxie et celui, mille fois plus gros et mille fois plus lointain, qui se cache au cœur de la galaxie M87, située à une cinquantaine de millions d’années-lumière de nous. «C’est simple, ce sont les deux seuls trous noirs pour lesquelles nous avons une résolution suffisante avec le réseau EHT», précise Pablo Torne, jeune astronome à l’IRAM spécialiste de cette technique d’observation. En d’autres termes, c’étaient ces cibles ou rien.

Les spécialistes pensaient que le trou noir de la Voie lactée, Sagittarius A*, serait la meilleure cible. Il y avait en effet une incertitude plus grande sur la masse, et donc la taille, du trou noir de M87. «Il fallait vraiment que nous soyons à la limite supérieure des estimations pour espérer le voir», se souvient Heino Falcke, radioastronome à la Radboud University Nijmegen aux Pays-Bas, l’une des deux grandes figures de la collaboration EHT avec Shep Doeleman, de l’université d’Harvard. Mais le miracle s’est produit: le trou noir central de M87 pèse plus de 6 milliards de masses solaires! Cela a d’ailleurs sauvé la session d’observation. Le trou noir central de notre galaxie s’est en effet montré impossible à voir pour le moment. Les chercheurs pensent que sa luminosité varie peut-être trop rapidement pour permettre d’en réaliser une image assez nette avec les poses très longues choisies.

Une récolte de données parfaite

Pour le reste, les étoiles étaient parfaitement alignées, pourrait-on dire. La météo fut clémente au même instant sur les huit sites d’observation, de l’Antarctique au Chili, en passant par l’Arizona, le Mexique, les États-Unis et l’Espagne. Il fallait ensuite que chacun des télescopes réussisse la récolte de données parfaites. À charge ensuite pour les deux supercalculateurs spécialement conçus pour cette tâche très particulière, situés à Bonn (Allemagne) et près de Boston (États-Unis), de rassembler les 4000 téraoctets de données pour trouver comment les assembler, comment les «corréler».

Le but de l’interférométrie est en effet de déterminer les petits décalages temporels entre les signaux en fonction de l’endroit du globe où ils ont été enregistrés. Mais comme on ne connaît pas la position des observatoires à la fraction de millimètre près (la précision requise pour ce travail), il a fallu tâtonner et tenter toutes les combinaisons possibles. Finalement, le 23 décembre 2017, après avoir emboîté des images venues du Pôle sud par bateau, tout devient clair : l'image est parfaite. Un véritable cadeau de Noel pour l'ensemble des scientifiques mobilisés.

Il aura encore fallu presque un an et demi de traitement complexe, mené en parallèles par quatre équipes indépendantes et avec trois logiciels d’imagerie différents pour s’assurer que l’on disposait bien du premier portrait de trou noir jamais réalisé. «Tout a fonctionné dès la première année d’observation», commente avec émotion Heino Falcke. «Cela faisait 25 ans que j’attendais ce moment et je pensais vraiment qu’il faudrait attendre encore cinq années de plus pour que nous obtenions un tel résultat.»

Preuve de l’extrême difficulté de l’opération, la campagne d’observations de 2018 n’a pour sa part rien donné d’exploitable. Celle de 2019 a quant à elle été annulée, notamment en raison de problèmes de sécurité à l’observatoire situé près de Mexico. Les astronomes visent désormais 2020. De nouvelles antennes, dont le réseau NOEMA de l’IRAM, sur le plateau de Bure dans les Alpes françaises, se joindront à la collaboration. Avec l’espoir de réussir cette fois-ci le premier portrait du trou noir de notre galaxie. Un nouveau défi.