La nuit où ils ont photographié le trou noir

L’antenne du Large Millimeter Telescope de nuit.
Pour obtenir le premier portrait d’un trou noir, neuf observatoires répartis sur la planète ont scruté en même temps le centre de la Voie lactée et de la galaxie M87. Début avril 2017, nous avons vécu l’aventure dans l’un d’entre eux, le Large Millimeter Telescope, au Mexique.

Cela fait vingt bonnes minutes que le 4x4 blanc de l’INAOE (Institut national d’astrophysique, d’optique et d’électronique) escalade la piste défoncée qui mène au Large Millimeter Telescope (LMT). Après plusieurs épingles à cheveux négociées au ralenti, David Sanchez s’arrête sur un replat dans un nuage de poussière. « Quand je monte observer, je fais toujours une pause ici, histoire de m’accoutumer à l’altitude », explique l’astronome mexicain. Il en profite pour redonner les consignes de sécurité : une fois au sommet, marcher lentement, aller à son rythme et surtout signaler immédiatement le moindre mal de tête ou vertige. Auquel cas, en présence de ces symptômes du mal des montagnes, il faudrait redescendre en urgence. Déjà, quelques pas sur ce bout de piste à 4 200 m d’altitude provoquent un essoufflement anormal. Même à 19° de latitude nord, entre le tropique et l’équateur, l’air est vif et sur le tee-shirt, amplement suffisant moins d’une heure plus tôt, la veste polaire est devenue de rigueur. Sur ce flanc escarpé de la Sierra Negra (la « montagne noire »), le silence est total. Pas un arbre, pas un oiseau. Seulement des pierres et du sable. Et une vue magnifique sur le volcan voisin, le pic d’Orizaba, dont le sommet culminant à 5 600 m accroche encore quelques plaques de neige en ces premiers jours d’avril.

David Sanchez travaille à l’INAOE en tant qu’astronome résident au LMT. L’instrument, construit dans la province mexicaine de Puebla, est peu connu. Avec ses 50 m de diamètre, c’est pourtant la plus grande parabole mobile à observer l’Univers dans les longueurs d’onde millimétriques. Par comparaison, les antennes du plateau de Bure, en France, mesurent 12 m. Tout comme celles d’Alma, au Chili. Quant à celle du Pico Veleta, dans le sud de l’Espagne, elle n’atteint que 30 m. Après avoir avalé dans un festival de secousses les derniers lacets de piste, le 4x4 arrive au sommet de la Sierra Negra, à 4 640 m d’altitude. Et l’antenne du LMT qui trône tout en haut de cet ancien volcan est impressionnante. Depuis plusieurs kilomètres, on la discerne déjà, tel un joyau blanc étincelant qui se détache sur le bleu profond du ciel. En contrebas, vers la plaine, l’atmosphère est brumeuse. Le télescope semble flotter bien au-dessus de cette nuée opaque qui altère le panorama.

La fraîcheur nous saisit à l’entrée dans le bâtiment pour rejoindre la salle de contrôle de l’antenne. Après un détour par la cuisine, au rez-de-chaussée, il nous faut gravir un escalier en pierre noire, probablement volcanique, qui débute dans la grande pièce circulaire où sont stockés des instruments scientifiques. Quelques paliers plus haut, hors d’haleine, nous prenons le temps de contempler le pilier monumental autour duquel tourne l’antenne… en espérant qu’il ne faudra pas monter à pied jusqu’en haut. Au détour d’une porte, nous empruntons une sorte de chemin de ronde en treillis métallique. Nous venons de rejoindre la structure mobile de l’antenne, celle qui tourne avec elle autour du pilier central. C’est là que se niche la salle de contrôle, que nous gagnons par un ascenseur.

À l’intérieur de cette pièce blanche et impersonnelle, l’ambiance est feutrée. Deux chercheurs sont face aux trois grands écrans qui permettent de piloter le télescope et ses instruments. Sur un canapé aux larges accoudoirs, deux autres, la petite trentaine, se concentrent sur leurs ordinateurs portables posés sur leurs genoux. Sans perdre de temps en présentations, David Sanchez s’installe devant les écrans, aux côtés de Gopal Narayanan, 50 ans, un chercheur américain d’origine indienne à la silhouette élancée. Et la discussion s’engage sur des sujets techniques : suivi du télescope, focalisation, solutions de pointage…

Dans la salle de contrôle du LMT, Gopal Narayanan (à gauche), David Sanchez (au centre) et Edgar Castillo Dominguez (à droite)
effectuent les dernières mises au point avant de commencer leurs observations. © Philippe Henarejos

Gopal, c’est le patron. Trois jours plus tôt, il a débarqué au Mexique avec son équipe de l’université du Massachusetts (États-Unis) et tout son matériel pour mener au LMT des observations d’un genre nouveau, déjà testées plusieurs fois, mais jamais vraiment tentées avec un objectif scientifique : photographier un trou noir ! Pour cette « première », il lui a fallu, avec près de 200 autres astronomes et techniciens, mettre au point des instruments spécifiques et, surtout, investir neuf observatoires répartis sur toute la planète.

Un télescope de 12000 km

Car, malgré sa parabole de 1 600 tonnes, le LMT seul ne suffirait pas. Pour espérer discerner l’absence de lumière due au trou noir (son « ombre ») sur un fond céleste lumineux, il faut un télescope infiniment plus grand. Un télescope du diamètre de la Terre entière, soit environ 12 000 km ! Et pour simuler un tel cyclope, les astronomes ont eu l’idée de réunir les observations simultanées de neuf télescopes judicieusement répartis sur l’ensemble du globe. Ainsi, l’un d’eux est à Hawaï, un autre est en Espagne (au Pico Veleta), un autre au Chili et il y en a même un au pôle Sud. En visant ensemble la même cible céleste, ces antennes vont permettre d’obtenir une image dont la résolution sera celle d’un télescope virtuel aussi grand que la Terre. Le projet a été baptisé Event Horizon Telescope (EHT) en référence à l’horizon d’un trou noir, c’est-à-dire sa limite au-delà de laquelle rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper.

La technique qui permet à l’EHT de prendre corps, l’interférométrie, semble magique. Mais elle est extrêmement complexe et difficile à mettre en œuvre. « Avant tout, cela nécessite des périodes d’observation communes aux neuf télescopes », rappelait David Hugues, le directeur de l’INAOE, un peu plus tôt dans la journée, à Puebla. Il a donc fallu convenir d’une date à laquelle chacun de ces observatoires abandonne ses programmes habituels pour se consacrer à la photo du trou noir. « Cette année, nous avons obtenu cinq nuits, entre le 4 et le 14 avril », précise David Hugues. Un vrai casse-tête qui ne peut être résolu sans un peu de chance. En effet, il faut que la météo soit favorable en même temps en neuf lieux répartis dans les deux hémisphères. Mais il faut aussi que tout soit prêt sur le plan technique.

Et justement, en la matière, Gopal Narayanan ressent une certaine tension en ce 3 avril. Car, à la veille de l’ouverture de la fenêtre d’observation, il y a encore beaucoup de détails à régler. À commencer par la focalisation de l’antenne. C’est pour cette raison qu’en cette fin d’après-midi, l’équipe pointe Mars, cible facile, mais « sans intérêt scientifique » comme l’indique David Sanchez. La parabole de 50 m n’est pas faite d’un seul bloc. « Sa surface comporte 84 panneaux orientables chacun au moyen de quatre actuateurs, précise Edgar Castillo Dominguez, astronome au Conacyt (le CNRS mexicain). Mais pour le moment, cela ne couvre que 32 m de diamètre. À la fin de 2017, les 50 m seront opérationnels et il y aura en tout 180 panneaux. »

Au dixième de micron près

Même si l’antenne ne dispose pas encore de sa pleine puissance, elle est déjà un engin de haute précision qu’il faut sans cesse contrôler. Ainsi, sous l’effet de son propre poids, sa forme change selon qu’elle vise vers le zénith ou à 20° de hauteur. Pis, la chaleur du Soleil dilate ses matériaux et modifie sensiblement la courbure de la parabole. Or, « il faut garder sa forme à quelques dixièmes de micron près, ce qui est l’un des plus gros défis », indique David Hugues. C’est précisément à cela que servent les quatre actuateurs sur chacun des panneaux réfléchissants. Toutefois, obtenir la bonne forme ne se révèle pas simple. De sorte qu’avant d’agir sur les panneaux, en fonction de la focalisation existante, il faut avoir fait un modèle mathématique qui indique la manière d’arriver à la bonne courbure. C’est le rôle de Katie Bouman et de Lindy Blackburn, du Massachusetts Institute of Technology, qui passent leur temps à parfaire ces modélisations en fonction des données fournies par le télescope. Gopal Narayanan connaît l’importance de leur contribution : « Ce sont deux jeunes chercheurs brillants. Depuis trois ans, ils ont fait un gros travail en mettant au point des programmes mathématiques qui permettent de régler les problèmes de focalisation. » En résumé, sans eux, pas de photo du trou noir.

Le LMT en train de viser le trou noir de M 87. © Emilio Chapela

Or, cette photo, les astronomes en rêvent très fort depuis 2009, lorsque s’est constitué l’embryon de ce qui allait devenir l’EHT. Il est apparu que la seule chance de voir un jour la forme sphérique de l’horizon d’un trou noir résidait dans un interféromètre millimétrique. En visible, comme dans d’autres longueurs d’onde, impossible d’atteindre la résolution suffisante. Et même en longueur d’onde millimétrique, un interféromètre de la taille de la Terre n’aurait à sa portée que deux cibles assez grosses pour réussir : le trou noir central de la Voie lactée, aussi appelé Sagittarius A* (ou Sgr A*), et celui de la galaxie elliptique M 87. Les deux astres compacts ne jouent pas dans la même catégorie. Sgr A* a une masse de 4 millions de fois celle du Soleil, et son horizon, un diamètre d’environ 4,5 milliards de kilomètres, soit l’équivalent de la distance Soleil-Neptune. Le trou noir de M 87, lui, dépasse les 6 milliards de masses solaires pour un diamètre de 40 milliards de kilomètres. Mais alors que celui-ci est à 53 millions d’années-lumière, Sgr A*, bien que plus modeste, se trouve à seulement 26 000 années-lumière. Du coup, ils ont à peu près la même taille apparente, accessible à l’EHT : celle d’une balle de golf posée sur la Lune, soit 20 microsecondes d’arc pour Sgr A* et 16 microsecondes d’arc pour M 87.

Seulement deux cibles, cela peut sembler bien maigre en regard des efforts déployés. Pourtant, les objectifs scientifiques sont nombreux et pertinents, comme l’explique David Hugues : « D’abord, une photo nous confirmera qu’il y a un trou noir, avec une singularité et un horizon des événements. Ce serait un résultat fondamental ! Ensuite, la taille de l’ombre va vous indiquer si le trou noir tourne sur lui-même et à quelle vitesse. Si l’ombre est petite, c’est que le trou noir tourne dans le même sens que le disque d’accrétion qui est censé l’entourer. Si elle est grande, c’est qu’il tourne dans le sens inverse du disque. Mais on peut aussi avoir, entre les deux, une taille moyenne qui indique qu’il ne tourne pas. En outre, nous vérifierons s’il y a bien un disque d’accrétion et si celui-ci est incliné ou non. Dans le cas où il le serait, nous pouvons espérer discerner l’ombre sur une partie du disque, qui est lumineux, et voir si ce disque est variable dans le temps ou s’il est asymétrique. Pour cette raison, les observations ne devront pas se limiter à une seule photo. Il faudra les répéter. Enfin, les informations recueillies nous aideront à tester la théorie de la relativité dans les conditions les plus extrêmes. » Des objectifs qui font rêver astronomes et physiciens. Au point que, quand on demande à Miguel Chavez, directeur adjoint de l’INAOE, si une telle photo pourrait valoir un prix Nobel, il répond « oui » sans hésiter.

Préparation fébrile la veille

Mais encore faut-il que tout fonctionne. Et ce n’est pas le cas lorsque vers 21 h, ce 3 avril, Gopal Narayanan arrive dans la cuisine, où chacun se réchauffe un plat. L’homme est charismatique. Et il ne lui faut qu’un bref instant pour mobiliser l’attention de ses collaborateurs et faire un point sur la stratégie d’observation. La première tentative de photo aura probablement lieu le lendemain soir. La session commune avec les autres observatoires pourrait durer 16 heures d’affilée. Avec un stress palpable, Gopal dit : « Nous sommes neuf, et nous allons nous diviser en deux équipes de manière à ce que les compétences soient réparties. » Et de rappeler, si besoin était, les trois points sur lesquels tous doivent être particulièrement vigilants : le pilotage du télescope, le contrôle du récepteur et l’enregistrement des données.

Sitôt le repas terminé, tout le monde se retrouve dans la salle de contrôle. Maintenant que la nuit est tombée, l’antenne suit un quasar, 3C279, pour surveiller comment évolue la forme de la parabole à mesure que la température extérieure diminue vers 0° C. Pendant que certains pilotent le télescope au son d’une playlist de rock, l’autre partie de l’équipe descend dans le froid près d’une grosse caisse en bois qui contient l’horloge atomique. Les observations en interférométrie ne peuvent en effet fonctionner que si chaque télescope dispose d’une référence temporelle très précise pour combiner a posteriori les faisceaux millimétriques reçus de l’espace. Sans cela, pas de fameuse photo. Tournevis à la main, Gopal Narayanan ouvre le boîtier et ajuste la pression à l’intérieur de l’horloge pour stabiliser la fréquence de l’électron à 1,4 GHz. Autour de cet instrument à 250 000 $, dont huit autres exemplaires équipent les sites de l’EHT, on perçoit toute la complexité de l’entreprise. À minuit moins dix, sur un mot d’ordre discret, tout le monde (sauf Gopal et les pilotes du télescope) s’équipe de vestes et de bonnets et sort de la salle de contrôle pour gagner la pièce contiguë. Elle abrite de gros ordinateurs. La température y est fraîche. Et le sujet du moment, c’est que chacun, quel que soit son rôle, apprenne comment commencer à enregistrer les données qui viendront du détecteur, situé à l’étage du dessus. Pendant plus d’une heure, les cinq jeunes membres de l’équipe vont prendre des notes sur leurs calepins et visualiser des lignes de code sur leurs ordinateurs portables ouverts sur le coin d’un bureau.

Gopal Narayanan est tendu. L’observation du trou noir est complexe à mettre en œuvre : il faut que les neuf télescopes répartis
dans le monde observent le ciel exactement en même temps. © P. Henarejos/C&E

À leur retour dans la salle de contrôle, Gopal Narayanan a des nouvelles pour eux : « La décision de lancer ou non les observations sera donnée demain à 15 h par le centre de commande [NDLR : situé dans le Massachusetts]. Nous saurons à ce moment-là si nous partons pour 9 ou 16 heures d’affilée. » Il ne cache pas sa fébrilité : « Il y a des milliers d’opérations à faire pour que ça marche. Si c’est bon, ce sera l’image la plus résolue de toute l’histoire de l’astronomie… » Mais les tests pour la préparer semblent ne jamais devoir s’arrêter. Arrivée à 15 h, l’équipe ne repart du sommet de la Sierra Negra qu’à 3 h du matin. Dans la nuit étoilée, bien au-dessus des lointaines lumières des villages estompées par une légère brume, les 4x4 s’engagent sur la piste. Les consignes de sécurité obligent à rouler par deux. Pas question de laisser une voiture seule en retrait. La descente dure une heure et quart pour rallier la ville de Ciudad Serdan, où se trouve le camp de base. Là, un hôtel particulier sans cachet est réservé aux astronomes avec, au rez-de-chaussée, donnant sur une cour intérieure, la salle à manger. Des repas y sont prêts 24 h/24 pour les observateurs aux horaires imprévisibles. D’ailleurs, personne n’envisage de se coucher. Devant un plat réchauffé, ordinateurs ouverts, chacun poursuit ses préparatifs pour le grand jour. 

« Nous avons le go ! »

Le lendemain, en début d’après-midi, on retrouve la petite communauté au même endroit, devant leurs écrans, comme si elle n’avait pas bougé. Sur le sien, Gopal Narayanan suit en temps réel l’état de chacun des neuf sites de l’EHT. Il est 13 h 30 quand il envoie au centre de commande son rapport indiquant que le LMT est opérationnel. À 14 h 55, il annonce : « Nous avons le ‘go’ pour les observations. » La première photo d’un trou noir va pouvoir être tentée. L’instant est attendu ; chacun sait ce qu’il a à faire. Les ordinateurs se ferment et un quart d’heure plus tard, les deux 4x4 du premier groupe s’engagent vers le sommet. À leur arrivée, David Sanchez a déjà réveillé le télescope à distance, depuis Ciudad Serdán. Il pointe Mars, mais l’image est catastrophique, à cause du Soleil, qui chauffe l’antenne. Légère crispation de l’équipe. Mais le problème est connu et la solution aussi : il suffit d’attendre la nuit. 

Le jour, le LMT chauffe sous l’action du Soleil. Sa déformation est l’un des problèmes
auxquels l’équipe doit faire face si elle veut réussir la photo du trou noir. © P. Henarejos/C&E

De fait, vers 22 h, quand la galaxie M 87 est visée, le souci a disparu. David Sanchez et Aleks Popstelfanija, de l’université du Massachusetts, sont alors seuls face aux écrans de contrôle. Tout se déroule automatiquement. Ils semblent sereins, on ne décèle pas d’attention particulière aux manœuvres en cours. C’est le moment historique et… il ne se passe rien. L’ambiance n’a plus rien à voir avec la fébrilité de la veille. À l’affairement permanent, aux discussions incessantes a succédé une inaction apparente plutôt ennuyeuse pour l’observateur extérieur. « Hier, on improvisait », lâche David Sanchez en guise d’explication. Sous-entendu : aujourd’hui, tout est prêt et fonctionne.

Les minutes passent, le télescope alternant visées sur M 87 et étalonnage de ses instruments sur d’autres objets célestes. À chaque changement de cible, une petite vibration rappelle que la salle tourne avec l’antenne. Chronologiquement, donc, le trou noir de M 87 est photographié d’abord. Mais pour les scientifiques de l’EHT, l’objectif prioritaire, c’est Sgr A*. Ses données seront traitées en premier. Gopal Narayanan arrive avec la deuxième équipe peu après 22 h. Le LMT, comme tous les autres télescopes de l’EHT, pointe à nouveau M 87 pour une session de 6 minutes. L’événement semble passer inaperçu, chacun poursuivant ses discussions comme si de rien n’était. Il faudra rappeler à Gopal que l’instant est historique pour qu’il consente à regrouper l’équipe afin de l’immortaliser en photo. « Hier, j’étais tendu, reconnaît le chercheur. Il restait des problèmes à résoudre. Nous avons travaillé dur pour régler des soucis sur l’horloge, sur le récepteur, sur le télescope, sur l’enregistreur de données… Aujourd’hui, depuis le camp de base, j’ai vu que tout marchait bien. Donc, je suis relax. »

Un calme étonnant

Il l’est même tellement qu’un peu plus tard, profitant d’une pause, il convie quelques personnes à monter voir le récepteur, au foyer de l’antenne. Pour le profane, c’est un ensemble de boîtiers posés sur une table, d’où s’échappent des fils de toutes les couleurs. Pour Gopal, qui en est le concepteur, c’est le cœur vivant du projet, qui nécessite une attention de tous les instants. Pour que le détecteur puisse percevoir les ondes millimétriques venues de l’espace, il est refroidi en permanence par un flux d’hélium à 4 K, soit 4 degrés au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse possible dans l’Univers (– 273 °C). Sans ce froid extrême, le bruit de fond de l’environnement brouillerait tout signal venu des étoiles. Le détecteur est aussi épargné des moindres vibrations qui pourraient être interprétées comme des ondes. Interdiction donc d’approcher du détecteur à moins de quelques mètres. Gopal y tient comme à la prunelle de ses yeux. Il raconte d’ailleurs comment il avait paniqué, plusieurs mois auparavant, lorsqu’à la suite d’une coupure de courant, le chant caractéristique du compresseur à hélium avait brusquement cessé. Il était monté et avait tout tenté pour le remettre en marche et « ranimer » le cœur du télescope.

De retour dans la salle de contrôle, c’est toujours aussi calme. Michael, un doctorant néerlandais, fait remarquer à Aleks que la musique s’est arrêtée. C’est la première fois depuis qu’ont commencé ces longues heures de travail que l’on entend le silence. Ce dernier la remet en marche aussitôt. Vers 6 h, le centre de la Voie lactée sera pointé dans la même indifférence. Le lendemain, il est midi quand Gopal revient au camp de base. Sgr A* a été photographié par les neuf télescopes. Un peu plus tard, Lindy Blackburn confirmera : « Ces observations suffisent pour faire une image du trou noir. » Avant d’ajouter : « Quatre autres jours sont cependant nécessaires pour gagner en précision, en propreté des données. »

Pendant que le LMT vise M 87, l’équipe pose pour une photo historique. De gauche à droite : Lindy Blackburn, Katie Bouman, David Sanchez,
Aleks Popstelfanija, Michael Janssen, Sandra Bustamante, Gopal Narayanan et Edgar Castillo Dominguez.

Encore faut-il les avoir, ces jours. En fin d’après-midi, ce 5 avril, Ciudad Serdán est battu par un vent qui, s’il devient trop fort, peut empêcher l’antenne de fonctionner. Les tornades de poussières habituelles qui se forment dans la campagne environnante ont cédé la place à une véritable tempête de sable et à quelques gouttes de pluie. Pourtant, 2 000 m plus haut, la Sierra Negra émerge de cette tourmente. Les conditions sont bonnes et une deuxième nuit d’observation commence. Elles le seront aussi le lendemain. Ensuite, la météo empêchera deux des sites de fonctionner, mettant l’EHT à l’arrêt et permettant à l’équipe de Gopal de se reposer un peu. Finalement, les 9 et 10 avril, les astronomes réussiront à nouveau à pointer M 87 et Sgr A*.

Au terme d’une dizaine de jours particulièrement éprouvants en raison de l’altitude et d’un rythme soutenu, l’équipe pourra se détendre. « Nous avons fait une fête sympathique au camp de base la nuit du 11 avril, confie Gopal. Nous avons dansé et il y avait de la tequila et du mezcal ! » Pour autant, la première photo d’un trou noir n’est pas encore assemblée. La prise de vue a été réalisée, les données sont enregistrées. Mais il faudra encore de longs mois avant de « développer » l’image en calant chaque observation sur une référence temporelle très précise grâce aux horloges atomiques. Notamment parce que les disques durs de l’expérience du pôle Sud ne seront pas récupérés avant la fin de l’hiver austral en octobre. Après un long travail de traitement des données, le cliché historique devrait être publié en fin d’année.

 

Reportage publié dans le Ciel & espace n°554, juillet-août 2017

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