Les télescopes/réseaux de télescopes associés au télescope de l’horizon des événements ont pointé vers Messier 87. Voici à quoi ressemble un trou noir supermassif, et l’horizon des événements est clairement visible. Event Horizon Telescope collaboration et al.

La variété n’est pas seulement l’épice de la vie, mais une conséquence naturelle de la vie dans notre Univers. La gravitation, obéissant aux mêmes lois universelles à toutes les échelles, crée des amas et des regroupements de matière dans une énorme suite de combinaisons, des nuages ténus de gaz aux étoiles massives, toutes assemblées en galaxies, en amas et en une grande toile cosmique.

De notre point de vue sur Terre, il y a énormément de choses à observer. Cependant, nous ne pouvons pas tout voir. Lorsque les étoiles les plus massives meurent, leurs cadavres deviennent des trous noirs. Avec une telle masse dans un si petit volume d’espace, rien – aucun signal d’aucun type – ne peut en sortir. Nous pouvons détecter la matière et la lumière émises autour de ces trous noirs, mais à l’intérieur de l’horizon des événements, rien ne s’échappe. Dans un incroyable succès pour la science, nous venons d’imager avec succès un horizon des événements pour la première fois. Voici ce que nous avons vu, comment nous avons procédé et ce que nous avons appris.

Celui qui se trouve au centre de la galaxie M87, est environ 1000 fois plus grand que le trou noir de la Voie lactée, mais il est plus de 2000 fois plus éloigné. Le jet relativiste émanant de son noyau central est l’un des plus grands et des plus collimatés jamais observés. C’est la galaxie qui nous montre notre premier horizon des événements, jamais observé. ESA/Hubble et NASA

Qu’avons-nous vu ? Ce que vous voyez dépend de l’endroit où vous regardez et de la façon dont vous faites votre observation. Si nous voulons voir un horizon des événements, notre meilleur pari était de regarder le trou noir qui semblerait le plus grand de notre point de vue sur la Terre. Cela signifie qu’il doit avoir le plus grand rapport entre sa taille physique réelle et sa distance par rapport à nous. Bien qu’il puisse y avoir jusqu’à un milliard de trous noirs présents dans notre propre galaxie, le plus massif que nous connaissions – et de loin – est situé à environ 25 000 années-lumière : au centre de la Voie lactée.

C’est le plus grand trou noir, en termes de taille angulaire de son horizon des événements, visible depuis la Terre, avec une masse estimée à 4 millions de soleils. Le deuxième plus grand est beaucoup plus éloigné mais beaucoup, beaucoup plus grand : le trou noir au centre de M87. Ce trou noir est distant d’environ 60 millions d’années-lumière, mais sa masse est estimée à 6,6 milliards de soleils.

silhouettes sur fond d’émissions radio de derrière, sont révélées par le télescope Event Horizon dans une galaxie située à quelque 60 millions d’années-lumière. La masse du trou noir au centre de M87, telle que reconstituée par le télescope Event Horizon, s’avère être de 6,5 milliards de masses solaires. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Le Event Horizon Telescope a tenté d’imager les horizons des événements de ces deux objets, avec des résultats mitigés. Estimé à l’origine comme étant légèrement plus grand que son homologue M87, le trou noir au centre de la Voie lactée – connu sous le nom de Sagittarius A* – n’a pas encore eu son horizon des événements imagé. Lorsque vous observez l’Univers, vous n’obtenez pas toujours ce que vous attendez ; parfois, vous obtenez ce qu’il vous donne. Au lieu de cela, c’est le trou noir de M87′ qui est passé en premier, ce qui était un signal beaucoup plus brillant et beaucoup plus propre.

Ce que nous avons trouvé est spectaculaire. Ces pixels sombres au centre de l’image sont en fait la silhouette de l’horizon des événements lui-même. La lumière que nous observons provient de la matière accélérée et chauffée qui l’entoure, qui doit émettre un rayonnement électromagnétique. Là où la matière existe, elle émet des ondes radio, et le cercle sombre que nous voyons est là où les ondes radio de fond sont bloquées par l’horizon des événements lui-même.

Le trou noir au centre de notre galaxie : Sagittarius A*. Il a une masse d’environ quatre millions de soleils, et est entouré de gaz chauds émettant des rayons X. Rayon X : NASA/UMass/D.Wang et al., IR : NASA/STScI

Pour M87, nous avons vu tout ce que nous pouvions espérer. Mais pour Sagittarius A*, nous n’avons pas tout à fait eu autant de chance.

Lorsque vous observez un trou noir, ce que vous tentez de voir, c’est la lumière radio de fond entourant l’énorme masse au centre d’une galaxie, où l’horizon des événements du trou noir lui-même se trouve au premier plan d’une partie de la lumière, révélant une silhouette. Pour cela, il faut que trois choses s’alignent toutes en votre faveur :

1. Vous devez avoir la bonne résolution, ce qui signifie que votre télescope (ou votre réseau de télescopes) doit voir l’objet que vous observez comme plus qu’un simple pixel.
2. Vous avez besoin d’une galaxie qui est radio bruyante, ce qui signifie qu’elle émet un fond radio suffisamment fort pour se détacher réellement de la silhouette de l’horizon des événements.
3. Et il faut une galaxie qui soit radio-transparente, c’est-à-dire que l’on puisse réellement voir jusqu’au trou noir sans être confondu par les signaux radio d’avant-plan.

celui au centre de la galaxie M87, est montré dans trois vues ici. En haut, l’optique de Hubble, en bas à gauche, la radio de NRAO, et en bas à droite, les rayons X de Chandra. Malgré sa masse de 6,6 milliards de soleils, elle est plus de 2000 fois plus éloignée que Sagittarius A*. Le télescope Event Horizon a tenté d’observer son trou noir en radio, avec succès, alors qu’il n’a pas réussi à observer Sagittarius A*. En haut, optique, télescope spatial Hubble / NASA / Wikisky ; en bas à gauche, radio, NRAO / Very Large Array (VLA) ; en bas à droite, rayons X, NASA / Chandra X-ray telescope

Nous avons observé à de nombreuses reprises des émissions étendues autour de trous noirs dans de nombreuses longueurs d’onde de lumière, y compris dans la partie radio du spectre. Bien que M87 puisse remplir les trois critères nécessaires, le trou noir au centre de notre propre galaxie n’avait pas un rapport signal/bruit suffisant pour créer une image, peut-être en raison des niveaux d’intensité de rayonnement beaucoup plus faibles. Dommage, car nous aurions aimé avoir une meilleure image d’un deuxième trou noir, et le plus grand, par la taille angulaire, dans le ciel de la Terre. Nous obtenons cependant l’Univers que nous avons, pas celui que nous espérons.

Le troisième plus grand trou noir vu de la Terre se trouve au centre de la galaxie lointaine NGC 1277. Bien que le télescope Event Horizon ait la bonne résolution pour le voir, c’est une galaxie radio-silencieuse, et donc il n’y a pas assez de fond radio pour voir la sihouette. Le quatrième plus grand trou noir est tout près, au centre d’Andromède, mais notre résolution, même avec le télescope Event Horizon, est trop faible pour le voir.

Réseaux contribuant aux capacités d’imagerie du télescope Event Horizon depuis l’un des hémisphères de la Terre. Les données prises de 2011 à 2017, et particulièrement en 2017, nous ont maintenant permis de construire une image de l’horizon des événements d’un trou noir pour la première fois. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Comment l’avons-nous vu ? C’est en quelque sorte la partie la plus remarquable. Le télescope Event Horizon, comme tout télescope, a besoin de deux aspects différents des données qu’il collecte pour franchir un seuil critique.

1. Il doit recueillir suffisamment de lumière pour distinguer le signal du bruit, les régions radio bruyantes des régions radio silencieuses, et la région entourant le trou noir du reste de l’environnement autour du centre galactique.
2. Il doit atteindre une résolution suffisamment élevée pour que les détails précis puissent être localisés à leur position angulaire correcte dans l’espace.

Nous avons besoin de ces deux éléments pour reconstruire tous les détails de n’importe quel objet astronomique, y compris un trou noir. Le télescope Event Horizon avait un énorme défi à relever pour obtenir une image de n’importe quel trou noir, en raison de la petitesse de sa taille angulaire.

simulé ici, est le plus grand vu de la perspective de la Terre. Le télescope Event Horizon vient de sortir, plus tôt aujourd’hui (10 avril 2019), sa première image de ce à quoi ressemble l’horizon des événements de tout trou noir. La taille de l’horizon des événements (blanc) et la taille de la région dépourvue de lumière (noir) ont les rapports qu’ils ont prédits par la théorie générale de la relativité et la masse du trou noir lui-même. Ute Kraus, groupe d’enseignement de la physique Kraus, Universität Hildesheim ; arrière-plan : Axel Mellinger

Parce que les régions autour des trous noirs sont accélérées à de si grandes vitesses, la matière qui s’y trouve – composée de particules chargées – génère de forts champs magnétiques. Lorsqu’une particule chargée se déplace dans un champ magnétique, elle émet un rayonnement, et c’est de là que proviennent les signaux radio. Même un radiotélescope de taille modeste, de quelques mètres de diamètre seulement, est suffisant pour capter le signal. En termes de puissance de collecte de la lumière, observer le signal par-dessus le bruit est assez facile.

Mais la résolution est extrêmement difficile. Elle dépend du nombre de longueurs d’onde de la lumière qui peuvent s’adapter au diamètre de votre télescope. Pour voir le minuscule trou noir au centre de notre galaxie, il faudrait un télescope optique de 5 000 mètres de diamètre ; dans le domaine de la radio, où les ondes sont beaucoup plus longues, il faudrait un diamètre d’environ 12 000 000 de mètres !

Télescopes participants du télescope Event Horizon (EHT) et du Global mm-VLBI Array (GMVA). Il a imagé, pour la toute première fois, l’ombre de l’horizon des événements d’un trou noir supermassif. ESO/O. Furtak

C’est pourquoi le télescope de l’horizon des événements est si puissant et intelligent. La technique qu’il utilise est connue sous le nom d’interférométrie à très longue ligne de base (VLBI), qui prend essentiellement deux télescopes ou plus qui peuvent faire les mêmes types d’observations à partir de deux endroits distincts, et les verrouille ensemble.

En prenant des observations simultanées, vous obtenez seulement la puissance de collecte de lumière des antennes individuelles additionnées, mais vous obtenez la résolution de la distance entre les antennes. En couvrant le diamètre de la Terre avec de nombreux télescopes (ou réseaux de télescopes) différents simultanément, nous avons pu obtenir les données nécessaires pour résoudre l’horizon des événements.

La vitesse a été le facteur limitant dans les études de type EHT. Proto-EHT a commencé en 2007, et n’était capable de faire absolument rien de la science qu’il fait aujourd’hui. Il s’agit d’une capture d’écran d’un exposé du scientifique de l’EHT, Avery Broderick. Institut Perimeter

Les débits de données étaient incroyables :

• Il enregistre une onde à une fréquence qui correspond à 230 milliards d’observations par seconde.
• Cela correspond à 8 Go par seconde à chaque station.
• Avec 8 stations de télescopes/réseaux de télescopes, une heure d’observations continues permet d’obtenir 225 TB de données.
• Pour une semaine d’observation, cela représente 27 PB (pétaoctets) de données!

Tout cela pour une seule image d’un trou noir. Après avoir rassemblé les modules de données pour M87, il disposait de 5 PB de données brutes pour travailler!

telle que photographiée avec les nuages de Magellan au-dessus de la tête. Un grand nombre d’antennes paraboliques proches les unes des autres, comme c’est le cas de l’ALMA, permet de créer un grand nombre des images les plus détaillées dans certaines zones, tandis qu’un plus petit nombre d’antennes paraboliques plus éloignées permet d’affiner les détails dans les endroits les plus brillants. L’ajout de l’ALMA au télescope de l’horizon des événements a rendu possible la construction d’une image de l’horizon des événements. ESO/C. Malin

Alors, qu’avons-nous appris ? Eh bien, il y a un tas de choses que nous avons apprises, et il y aura beaucoup d’histoires sur les différents détails et nuances qui sortent au cours des prochains jours et semaines. Mais il y a quatre grands points à retenir que tout le monde devrait être en mesure d’apprécier.

Premièrement et le plus important, les trous noirs existent vraiment ! Les gens ont concocté toutes sortes de schémas et de scénarios bizarres pour les éviter, mais la première image directe d’un horizon des événements devrait mettre fin à tous ces doutes. Non seulement nous avons toutes les preuves indirectes de LIGO, les mesures gravitationnelles des orbites autour du centre galactique, et les données des binaires à rayons X, mais nous avons maintenant une image de l’horizon des événements directement.

Deuxièmement et presque aussi époustouflante, la relativité générale gagne à nouveau ! La théorie d’Einstein prédisait que l’horizon des événements serait sphérique, plutôt qu’oblate ou prolate, et que la région dépourvue de rayonnement aurait une taille particulière basée sur la masse mesurée du trou noir. L’orbite circulaire stable la plus interne, prédite par la relativité générale, montre les photons brillants qui sont les derniers à s’échapper de l’attraction gravitationnelle du trou noir.

Une fois encore, la relativité générale, même soumise à un nouveau test, est sortie invaincue !

La Voie lactée peut apparaître au télescope de l’horizon des événements, selon son orientation par rapport à nous. Ces simulations supposent que l’horizon des événements existe, que les équations régissant la relativité sont valides et que nous avons appliqué les bons paramètres à notre système d’intérêt. Notez qu’il s’agit de simulations qui datent déjà de 10 ans, soit de 2009. Ouah, elles étaient bonnes ! Imagerie d’un horizon événementiel : submm-VLBI d’un trou noir super massif, S. Doeleman et al.

Troisièmement, nous avons appris que nos simulations pour prédire à quoi devraient ressembler les émissions radio autour du trou noir étaient vraiment, vraiment bonnes ! Cela nous indique que non seulement nous comprenons très bien les environnements autour des trous noirs, mais que nous comprenons aussi la dynamique de la matière et du gaz qui gravitent autour. C’est une réussite assez spectaculaire !

Et quatrièmement, nous avons appris que la masse du trou noir que nous avons déduite des observations gravitationnelles est correcte, et que la masse du trou noir que nous avons déduite des observations en rayons X est systématiquement trop faible. Pour M87, ces estimations différaient d’un facteur 2 ; pour Sagittarius A*, elles différaient d’un facteur 1,5.

Nous savons maintenant que la gravité est la voie à suivre, car les 6,6 milliards de masse solaire estimés par la gravité de M87′s’accordent spectaculairement avec la conclusion de 6,5 milliards de masse solaire du télescope Event Horizon. Nos observations en rayons X, en effet, sont biaisées vers des valeurs trop faibles.

trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. Ces étoiles, lorsqu’elles sont observées dans l’infrarouge, peuvent voir leurs orbites suivies à quelques années-lumière de Sagittarius A*, ce qui nous permet de reconstruire une masse pour le trou noir central. Des méthodes similaires, mais plus compliquées, ont été utilisées pour reconstruire la masse gravitationnelle du trou noir de M87. En résolvant directement le trou noir central dans M87, nous avons pu confirmer que les masses déduites de la gravitation correspondent à la taille réelle de l’horizon des événements, alors que les observations aux rayons X ne le font pas. S. Sakai / A. Ghez / Observatoire W.M. Keck / Groupe du centre galactique de l’UCLA

Il y aura d’autres choses à apprendre alors que nous continuons à faire de la science avec le télescope Event Horizon. Nous pouvons apprendre pourquoi les trous noirs s’enflamment, et s’il y a des caractéristiques transitoires qui apparaissent dans le disque d’accrétion, comme des blobs chauds. Nous pouvons apprendre si l’emplacement d’un trou noir central se déplace dans le temps, ce qui nous permet de déduire l’existence de trous noirs plus petits, jusqu’alors invisibles, à proximité des trous noirs centraux supermassifs. Nous pouvons apprendre, au fur et à mesure que nous recueillons des trous noirs, si les masses que nous déduisons pour les trous noirs, soit à partir de leurs effets gravitationnels, soit à partir de leurs émissions de rayons X, sont universellement biaisées ou non. Et nous pouvons apprendre si les disques d’accrétion ont un alignement universel avec leurs galaxies hôtes ou non.

L’orientation de face (deux panneaux de gauche) ou de bord (deux panneaux de droite) peut largement modifier la façon dont le trou noir nous apparaît. Nous ne savons pas encore s’il existe un alignement universel ou un ensemble d’alignements aléatoires entre les trous noirs et les disques d’accrétion. Toward the event horizon-the supermassive black hole in the Galactic Center », Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Nous ne pouvons pas connaître ces réponses avec seulement nos premiers résultats, mais ce n’est que le début. Nous vivons maintenant dans un monde où nous pouvons imager directement les horizons des événements des trous noirs. Nous savons que les trous noirs existent ; nous savons que les horizons des événements sont réels ; nous savons que la théorie de la gravité d’Einstein a maintenant été confirmée d’une manière totalement inédite. Et les derniers doutes qui subsistaient sur le fait que les mastodontes supermassifs au centre des galaxies sont vraiment des trous noirs se sont maintenant évaporés.

Les trous noirs sont réels, et ils sont spectaculaires. Au moins dans la partie radio du spectre, grâce à l’incroyable réalisation du télescope Event Horizon, nous les voyons comme jamais auparavant.

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