Première photo d’un trou noir : c’est pour quand ?

Vue d’artiste d’un trou noir. © Wallheaven
Annoncée pour fin 2017, la toute première photo d’un trou noir se fait attendre. Que se passe-t-il ? Les données, collectées par huit télescopes répartis 
sur toute la planète, sont plus difficiles que prévu à analyser.

« Si les meilleures conditions [...] sont réunies, l’Event Horizon Telescope (EHT) tiendra sa promesse et nous pourrons contempler dès 2017 l’image réelle d’un trou noir », confiait Shep Doeleman, le directeur de l’EHT, à Ciel & Espace en 2016. « Quand les résultats seront disponibles, début 2018, nous aurons, espérons-le, de nouvelles informations excitantes sur notre turbulent et fascinant centre galactique », indiquait en août 2017 un communiqué de presse de l’ESO (Observatoire européen austral), une des nombreuses organisations internationales qui participent à l’EHT (lire ci-après). 

On nous l’avait d’abord promise pour fin 2017, ce fut ensuite pour mi-2018, puis fin 2018… Mais force est de constater que la photo historique du trou noir central de la Voie lactée, celle qui doit apporter la preuve définitive de l’existence de ces monstres cosmiques prédits par la relativité générale d’Einstein n’est toujours pas arrivée sur nos écrans… La collaboration EHT n’a pas encore produit le moindre cliché d’un disque noir flanqué d’un croissant de lumière : le fameux « horizon des événements » du trou noir (sa frontière, en quelque sorte), entouré d’un disque de matière déchiquetée par le monstre. Pas le moindre pixel.

L’équipe de l’Event Horizon Telescope pose devant le LMT, au Mexique, une des antennes qui a participé en avril 2017
à la tentative de photographier un trou noir. © LMT Team

La première campagne d’observation s’était pourtant déroulée sans encombre. Ce qui était loin d’être gagné d’avance. Entre le 4 et le 11 avril 2017, les huit radiotélescopes qui composent l’EHT devaient scruter de concert deux cibles, les seules suffisamment grandes sur le ciel pour pouvoir être discernées par l’immense instrument virtuel : le centre de la galaxie M87 et Sagittarius A* (ou Sgr A*), l’intense source radio que l’on suppose liée au trou noir supermassif qui siégerait au centre de notre galaxie, la Voie lactée.

Observation planétaire

La mission était proche de l’impossible : il fallait que, sur chacun des huit sites d’observation répartis un peu partout sur la planète, des volcans d’Hawaï au pôle Sud, la météo soit au beau fixe en même temps et le plus longtemps possible pour collecter le maximum de données. « Nous avions opté pour une période située autour de l’équinoxe, car lorsque c’est l’été dans l’un des hémisphères, il y a trop d’humidité dans l’atmosphère », précise Remo Tilanus, qui pilote le projet. Choix judicieux : le ciel a été favorable aux astronomes, notamment au-dessus du LMT, une antenne de 50 m de diamètre plantée au sommet de la sierra Negra (4 640 m), au Mexique, d’où Ciel & Espace avait suivi l’observation historique (lire C&E n° 554, juillet 2017). Au cours des semaines suivantes, les milliers de téraoctets de données recueillies par l’ensemble des observatoires et enregistrées sur plus d’un millier de disques durs ont été transmis au Massachusetts Institute of Technology, aux États-Unis, et au Max Planck Institut, à Bonn. 

Il a fallu attendre la fin de l’hiver austral, c’est-à-dire novembre 2017, pour acheminer les données collectées en avril par le South Pole Telescope. © SPT

Pour démarrer l’analyse détaillée de cette marée d’informations, encore fallait-il attendre celles collectées par le South Pole Telescope à la station antarctique Amundsen-Scott où, l’hiver austral ayant commencé, plus aucun avion n’était autorisé à décoller avant fin octobre. Ce n’est donc que début novembre 2017 que cet ultime jeu de mesures a quitté la base américaine pour être acheminé lentement vers la Nouvelle-Zélande, puis la Californie. Mi-décembre, tous ces précieux octets sont enfin arrivés à bon port, pour moitié au MIT, pour moitié au Max Planck Institut. À cette époque, Shep Doeleman faisait un point sur l’épopée : « Une fois que les disques seront réchauffés, les données qu’ils contiennent seront ajoutées à celles en provenance des sept autres stations. Cela prendra environ trois semaines. Après quoi l’analyse de la campagne 2017 pourra commencer ! » Laissons passer les fêtes de Noël, ajoutons ces trois semaines, cela nous amène fin janvier 2018… Mais le printemps, l’été sont passés, l’automne a pointé le bout de son nez, et toujours pas de photo de l’horizon d’un trou noir à l’horizon. Pourquoi ? 

À nos demandes d’interviews, ni Shep Doeleman ni Dimitrios Psaltis, le directeur scientifique de l’EHT, n’ont répondu. Contrairement à Remo Tilanus : « C’est vrai, nous avons pris environ six mois de retard, mais c’est tout simplement parce que nos mesures sont bien meilleures que ce nous attendions. Leur qualité est si bonne que, paradoxalement, elles révèlent des effets instrumentaux inédits. Or, comprendre ces effets polluants afin de les extraire des données et ne garder que les signaux en provenance des trous noirs visés, cela exige beaucoup de temps. Actuellement, au moins vingt personnes sont mobilisées pour effectuer ce ‘nettoyage’. » 

Une guerre de communication

« Cela ne me surprend pas du tout. Nous avons vu exactement les mêmes effets dans nos propres données, commente Frédéric Vincent, impliqué dans l’expérience Gravity (1), à l’observatoire du VLT, qui mesure le mouvement des sources lumineuses les plus proches de Sgr A*. Si l’équipe de l’EHT s’est avancée sur la date de ses résultats, c’est, de l’avis du chercheur français, « parce que nous sommes dans une guerre de communication. À terme, nos deux équipes travailleront très probablement ensemble, dans l’objectif de caractériser au mieux Sgr A*. Mais pour le moment, il y a une forte concurrence entre les deux projets. C’est à qui obtiendra des informations sur les régions les plus proches possible du trou noir, à qui apportera le premier la preuve définitive de l’existence des trous noirs. »

Et à ce jeu, les Européens de Gravity viennent de marquer un point. En mai 2018, l’étoile S2, que les astronomes voient naviguer autour du trou noir central de la Voie lactée depuis plusieurs années, est passée au plus près de celui-ci. Par conséquent, elle a été accélérée jusqu’à 1 % de la vitesse de la lumière, et sa propre lumière en a été modifiée. « Nous avons ainsi observé ce que nous appelons dans notre jargon un décalage spectral gravitationnel, révèle le chercheur. C’est une déformation de la lumière typique d’un passage aux abords d’un trou noir, un phénomène prédit par la relativité générale d’Einstein. C’est la toute première fois qu’elle est mise en évidence et c’est une preuve de plus de l’existence du trou noir central. Ce n’est pas un résultat que l’on doit uniquement à Gravity ; nous avons aussi utilisé des données de l’instrument Naco, installé sur le VLT depuis des années. Malgré tout, notre publication a probablement été regardée de très près par l’équipe de l’EHT. Nous avons mis un coup de pression. » Dans les prochains mois, l’équipe de Gravity va scruter à nouveau le centre de la Galaxie, notamment afin de comprendre pourquoi la lumière émise par Sgr A* « sursaute ». Le monstre émet-il des jets ? Est-il entouré d’un objet massif lumineux encore inconnu ? 

Sagittarius A* émettrait des jets de matière, comme tend à le prouver ce cliché, obtenu en superposant
des images du satellite Chandra (violet) et du Very Large Array (bleu). Autour de Sgr A*,
le point le plus brillant, au centre, on discerne un jet (trait violet en bas à gauche) et les ondes de choc
qu’il crée (en bleu). © Nasa/CXC/NRAO/VLA

De son côté, la collaboration EHT va poursuivre ses campagnes d’observations. « Il nous faut continuer à observer. D’abord pour confirmer nos premiers résultats, ensuite pour suivre l’évolution de Sgr A*, comme ces éruptions qui semblent agiter le monstre à quelques jours d’intervalle, confirme Remo Tilanus. La campagne d’avril 2018 s’est bien passée, même si la météo était moins favorable qu’en 2017. Et la prochaine est prévue pour mars 2019. D’ici là, nous devrions avoir terminé le traitement des données, et nous pensons être en mesure de produire la toute première photo d’un trou noir en février 2019. Bien sûr, rien ne nous garantit que nous ne rencontrerons pas de difficultés qui nous obligeraient à retarder la publication jusqu’à la mi-2019. » Encore un peu de patience, donc…

(1) L’instrument Gravity collecte la lumière des quatre télescopes du VLT fonctionnant en interférométrie (VLTI).
L’un des défis de la première photo d’un trou noir était météorologique : le ciel devait être dégagé au-dessus des huit télescopes composant l’EHT,
parmi lesquels figure le Submillimeter Telescope, en Arizona. © D. Harvey/Arizona Radio Obs.

Un radiotélescope grand comme la Terre

Les 8 sites de l’EHT.

 L’Event Horizon Telescope (EHT) observe le centre de la Voie lactée et de M87 en radio, plus précisément à 1,3 mm de longueur d’onde. C’est en effet dans ce domaine de rayonnements que le signal émanant des trous noirs nous parvient sans être déformé. Photographier les contours d’un trou noir est un défi comparable à celui de discerner une pièce de 2 € sur la Lune. Pour atteindre cette résolution à 1,3 mm de longueur d’onde, il faut utiliser un radiotélescope de la taille de la Terre. Comme un tel engin n’existe pas, les astronomes le simulent en associant des antennes réparties sur tout le globe. Plus celles-ci sont nombreuses et éloignées les unes des autres, meilleure sera la résolution de l’instrument géant virtuel.

Lors de l’observation d’avril 2017, l’EHT était composé de huit radiotélescopes : Alma et Apex, au Chili ; le Submillimeter Array et le JCMT à Hawaï ; le South Pole Telescope, en Antarctique ; le Submillimeter Telesccope, en Arizona ; le LMT au Mexique ; l’antenne du Pico Veleta, en Espagne. Pour celle du printemps 2019, le réseau français Noema se joindra à l’EHT.

 

Au sujet des trous noirs, à lire également :

Comment les trous noirs dirigent la vie des galaxies

Comment Hawking fit briller les trous noirs

 

Cet article est extrait du Ciel & Espace n°562, de novembre-décembre 2018

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