Event Horizon Telescope : la promesse d’une image

L’observatoire radio Alma, au Chili. © ESO
Fin 2016, Ciel & Espace consacrait à un dossier au nouveau projet enthousiasmant des astrophysiciens : photographier un trou noir ! Deux équipes étaient en lice. C’est l’une d’elles, l’Event Horizon Telescope, qui a réussi cette première avec l’image de l’astre étrange tapi au cœur de la galaxie M87. Pour nos abonnés web, nous republions l’article que nous lui consacrions à l’époque.

Pourra-t-on contempler, dès 2017, la silhouette sombre du trou noir central de notre galaxie se découpant sur un croissant de lumière ? Autrement dit, la toute première image de l’une des structures les plus étranges de l’Univers ? C’est la promesse de Shepherd Doeleman et son équipe de l’Event Horizon Telescope (EHT). « Au printemps 2017, nous effectuerons les observations les plus précises et les plus sensibles jamais réalisées de SgrA*. Ce sera notre première chance de voir directement l’horizon d’un trou noir ! » 

Depuis l’observatoire de Haystack (Massachusetts), l’astrophysicien coordonne la mise au point d’un instrument unique, aux dimensions planétaires. L’Event Horizon Telescope (« télescope pour l’horizon des événements ») est un interféromètre qui rassemble sept radiotélescopes dispersés sur quatre continents (voir infographie ci-après). « Dès avril 2017, il observera SgrA* en combinant les rayonnements captés par le South Pole Telescope installé dans la base américaine du pôle Sud, Alma qui se trouve sur un haut plateau des Andes, le Large Millimeter Telescope au Mexique, le Submillimeter Telescope du mont Graham en Arizona, le James Clerk Maxwell Telescope et le Submillimeter Array à Hawaï et l’antenne de 30 m de diamètre qui est en Espagne dans la Sierra Nevada », précise le chercheur. Enregistrées sur chaque site au rythme de 4 Go par seconde, les données collectées durant cinq jours équivalent aux données stockées sur deux milliards de DVD ! Recombinées par un supercalculateur pour simuler ce que verrait un radiotélescope de 11 000 km de diamètre (la distance entre l’Espagne et Hawaï), ces observations permettront d’atteindre une résolution d’une vingtaine de microsecondes d’arc (µas). Suffisant pour distinguer le contour du trou noir distant de 27 000 années-lumière ! 

Une image courbée par un champ gravitationnel intense

Selon les calculs effectués par l’Américain James Bardeen en 1973, et poursuivis notamment en France par Jean-Pierre Luminet, un trou noir entouré d’un disque de matière possède une silhouette caractéristique : une tache sombre découpée sur l’image déformée du disque chaud et brillant. L’image du disque est si courbée par l’intense champ gravitationnel du trou noir qu’on le voit toujours occuper l’arrière-plan, quel que soit l’angle sous lequel on l’observe. Quant à la tache, ce n’est pas l’image exacte de l’horizon : elle est deux à trois fois plus grande que sa taille réelle. Dans le cas de SgrA*, elle devrait faire 53 µas.  

Pourquoi l’équipe de l’EHT cherche-t-elle à voir le trou noir en ondes millimétriques plutôt que dans le domaine optique ? D’abord parce qu’à ces longueurs d’onde, aucun télescope ou interféromètre n’est assez grand pour atteindre la résolution nécessaire. Ensuite parce que c’est vers 1 mm de longueur d’onde que le rayonnement radio de SgrA* devient transparent à lui-même (autrement dit, la lumière qu’il émet ne le masque pas). Enfin parce que cette longueur d’onde, contrairement aux plus longues, est moins diffusée par les électrons du gaz interstellaire qui s’intercale entre le trou noir et nous. L’observation à 1,3 mm produit une image presque nette ! « Dans les prochaines années, nous étendrons la capacité d’observation de l’EHT à 0,8 mm. À cette longueur d’onde, la résolution angulaire est encore meilleure et l’effet de diffusion interstellaire est considérablement diminué. Mais cela demandera un gros effort de mise à niveau pour beaucoup de radiotélescopes », révèle Shep Doeleman. 

Faire la preuve par l’image

Si les astronomes investissent autant de temps et d’énergie dans la mise au point de l’EHT, ce n’est pas simplement pour le plaisir de faire une photo, fut-elle inédite. En réalisant la première image d’un horizon des événements, ils espèrent prouver une fois pour toutes que les trous noirs existent. Et surtout, que la source radio compacte et extrêmement massive qui occupe le centre de la Voie lactée en est bien un... Bien sûr, SgrA* est le seul objet au cœur de la Galaxie qui ne montre aucun mouvement – au contraire, tout tourne autour de lui. Par ailleurs, la distribution de l’énergie qu’il rayonne en fonction de la longueur d’onde est différente de celle, typique, des autres astres entourés d’un disque d’accrétion. Elle ne présente aucune trace du pic d’émission thermique systématiquement associé à la chute de matière sur une surface. C’est probablement, estiment les astrophysiciens, parce que la matière qui tombe sur SgrA* disparaît tout simplement derrière son horizon, à la manière d’un passe-muraille. 

Éloigné de 27 000 années-lumière, le centre de notre galaxie est caché par quantité d’étoiles et de nuages de gaz
et de poussières que seules certaines longueurs d’onde parviennent à pénétrer. © Nasa/JPL-Caltech/C&E

Mais après tout, dans les cartons des théoriciens, il existe toute une zoologie d’objets compacts, alternatifs aux trous noirs, qui pourraient rendre compte des observations actuelles en direction de SgrA*. À l’observatoire de Paris, Éric Gourgoulhon et ses collègues ont ainsi développé un modèle d’étoiles « bosoniques » qui ferait tout à fait l’affaire. « Constitués de bosons scalaires (1), ces objets compacts en forme de tore interagissent très peu avec la matière. Ils ne brillent pas », précise l’astrophysicien. En revanche, « ils ne possèdent pas d’horizon ». Si un spécimen occupe le centre de la Voie lactée, l’EHT saura donc le démasquer… 

Débusquer le monstre au cœur de la Voie lactée

Pour les astrophysiciens qui sont déjà convaincus que SgrA* est un trou noir, l’intérêt de l’interféromètre planétaire est ailleurs. Ils comptent surtout sur lui pour mesurer les propriétés du monstre. La masse de SgrA* étant assez bien connue (4,3 millions de masses solaires, à 500 000 unités près), c’est surtout sa vitesse de rotation et son inclinaison qui les intéressent. Dans un article publié à l’automne, Shep Doeleman et ses collègues calculent qu’une seule journée d’observation avec l’EHT suffira à mesurer le taux de rotation du trou noir à 0,5 % près et son inclinaison à 0,09° près. Aujourd’hui, l’estimation de l’inclinaison varie selon les équipes de 45 à 75°, avec d’énormes incertitudes, et personne ne se risquerait à afficher un taux de rotation. 

Pourtant, ces deux quantités sont importantes, tant pour comprendre la genèse du trou noir que son évolution. En effet, les astronomes pensent que les trous noirs acquièrent l’essentiel de leur rotation par accrétion de matière. Or, l’efficacité de ce mécanisme dépend de l’alignement relatif du flot d’accrétion avec la rotation du trou noir. Selon des mesures réalisées entre 2007 et 2013 avec une version préliminaire de l’EHT, 100 % américaine, l’axe de rotation de SgrA* est aligné avec l’anneau d’étoiles jeunes d’environ 1 000 masses solaires qui tourne autour de lui à 1 année-lumière. Cet alignement grossier, qui reste à confirmer, ne serait pas fortuit : alimenté ces derniers millions d’années par le disque de 10 000 à 100 000 masses solaires qui a donné naissance à l’anneau d’étoiles, le trou noir aurait été forcé de s’aligner avec celui-ci — de la même manière qu’un cerceau dont l’axe de rotation vacille se met à rouler droit lorsqu’on l’entraîne d’un geste de la main. Si ce scénario reste à confirmer par de meilleures mesures, une chose est sûre : les propriétés des trous noirs au centre des galaxies sont étroitement liées à leur histoire commune. Étudier les uns permet de mieux comprendre les autres.

Un test pour la relativité générale

Plus fondamentalement encore, une image de SgrA* par l’EHT permettrait de tester la théorie de la relativité générale. Constamment mise à l’épreuve depuis son invention par Einstein en 1915, mais uniquement dans des cas de gravité modérée, est-elle toujours la bonne théorie pour décrire un champ gravitationnel aussi intense que celui d’un trou noir ? Une bonne façon de répondre à cette question est de se pencher sur une conjecture centrale de la physique des trous noirs : le théorème d’unicité. Démontré au début des années 1970 par les théoriciens Brandon Carter, Stephen Hawking et Werner Israel, il stipule que les trous noirs peuvent être entièrement décrits par seulement trois paramètres : leur masse, leur taux de rotation et, éventuellement, leur charge électrique. 

Nul besoin, avec eux, de se compliquer la tâche en cherchant à connaître forme, couleur, détail à leur surface, etc. Ils sont sphériques, totalement lisses ou, dit de façon plus imagée… chauves ! À la suite du théoricien John Wheeler, qui affectionnait ce genre d’expression frappante, les astrophysiciens disent d’ailleurs que « les trous noirs n’ont pas de cheveux ». Et ils rebaptisent souvent le théorème d’unicité en « théorème de la calvitie ». L’Event Horizon Telescope devrait permettre de vérifier cette conséquence de la théorie d’Einstein, car un trou noir asymétrique ne déforme pas l’espace-temps de la même manière qu’un trou noir standard. Vu par l’interféromètre, il aura donc une silhouette différente. Les théoriciens ont déjà commencé à simuler l’image que verrait l’EHT si le trou noir du centre de la Voie lactée obéissait à des règles différentes de celles de la relativité générale. C’est que, du trou noir de Horava-Lifshitz à celui de Kerr-Taub-NUT, en passant par celui de Kaluza-Klein, on peut imaginer toute une palette de trous noirs exotiques !  

Un vrai défi technique

Évidemment, la pertinence de toutes ces analyses dépendra d’abord de la qualité des images de l’EHT. Or, la reconstruction d’une image à partir des données d’un interféromètre, surtout lorsqu’il est aussi dispersé, est un défi en soi. « Nous passons beaucoup de temps à tester nos logiciels de reconstruction avec des images synthétiques, et nous ne faisons confiance qu’à ceux qui parviennent à les reproduire », insiste Shep Doeleman. Fabien Baron, un interférométriste français qui travaille à l’université de Géorgie, a d’ailleurs été contacté par l’équipe pour sa connaissance de ces algorithmes. « Dans le domaine optique, parce que nos interféromètres ne comptent jamais beaucoup de télescopes, cela fait longtemps que nous sommes confrontés à la difficulté qui consiste à recréer une image à partir de quelques points de mesure.

Pour stimuler le développement de logiciels adaptés, nous avons même créé un concours de beauté de l’imagerie interférométrique ! » révèle le chercheur. Tous les deux ans, différentes équipes s’affrontent par algorithmes interposés et comparent leurs résultats. « Celui qu’utilisera l’EHT n’a pas encore été choisi, mais il devra être capable de créer une image correcte du trou noir à partir de quelques pixels réellement mesurés, qui ne compteront que pour quelques pour cent de l’image totale. » Surtout, il devra être fiable. Sous peine de confondre des artefacts numériques avec des effets de la gravitation. À ces conditions, la promesse de l’Event Horizon Telescope sera tenue, et nous pourrons contempler dès 2017 l’image réelle d’un trou noir. Bien plus qu’une silhouette mathématique !

 (1) La famille des bosons scalaires est une famille de particules élémentaires qui depuis 2012 compte au moins un représentant, le boson de Higgs. D’autres types de bosons scalaires constitueraient toutefois les hypothétiques étoiles bosoniques.

 

Article publié dans le dossier « Photographier un trou noir » du Ciel & espace n°550, novembre 2016

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