Des astronomes révèlent la première image du trou noir au cœur de notre galaxie


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  • Aujourd’hui, lors de conférences de presse simultanées à travers le monde, y compris au siège de l’Observatoire européen austral (ESO) en Allemagne, des astronomes ont dévoilé la première image du trou noir supermassif au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée. Ce résultat fournit des preuves accablantes que l’objet est en effet un trou noir et donne des indices précieux sur le fonctionnement de ces géants, dont on pense qu’ils résident au centre de la plupart des galaxies. L’image a été produite par une équipe de recherche mondiale appelée Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, en utilisant les observations d’un réseau mondial de radiotélescopes.

    L’image est un regard attendu depuis longtemps sur l’objet massif qui se trouve au centre même de notre galaxie. Les scientifiques avaient déjà vu des étoiles en orbite autour de quelque chose d’invisible, de compact et de très massif au centre de la Voie lactée. Cela suggère fortement que cet objet – connu sous le nom de Sagittarius A* (Sgr A*, prononcé « sadge-ay-star ») – est un trou noir, et l’image d’aujourd’hui en fournit la première preuve visuelle directe.

    Bien que nous ne puissions pas voir le trou noir lui-même, car il est complètement sombre, le gaz incandescent qui l’entoure révèle une signature révélatrice : une région centrale sombre (appelée ombre) entourée d’une structure brillante en forme d’anneau. La nouvelle vue capture la lumière courbée par la puissante gravité du trou noir, qui est quatre millions de fois plus massif que notre Soleil.

    « Nous avons été stupéfaits de voir à quel point la taille de l’anneau correspondait aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein », a déclaré Geoffrey Bower, scientifique du projet EHT, de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique, Academia Sinica, Taipei. « Ces observations sans précédent ont considérablement amélioré notre compréhension de ce qui se passe au centre même de notre galaxie et offrent de nouvelles informations sur la façon dont ces trous noirs géants interagissent avec leur environnement. » Les résultats de l’équipe EHT sont publiés aujourd’hui dans un numéro spécial de The Astrophysical Journal Letters.

    Parce que le trou noir est à environ 27 000 années-lumière de la Terre, il nous semble avoir à peu près la même taille dans le ciel qu’un beignet sur la Lune. Pour l’imager, l’équipe a créé le puissant EHT, qui reliait huit observatoires radio existants à travers la planète pour former un seul télescope virtuel « de la taille de la Terre ». [1]. L’EHT a observé Sgr A* plusieurs nuits en 2017, collectant des données pendant plusieurs heures d’affilée, de la même manière que l’utilisation d’un long temps d’exposition sur un appareil photo.

    Outre d’autres installations, le réseau EHT d’observatoires radio comprend l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et l’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) dans le désert d’Atacama au Chili, co-détenus et coopérés par l’ESO au nom de ses États membres en Europe. L’Europe contribue également aux observations EHT avec d’autres observatoires radio – le télescope IRAM de 30 mètres en Espagne et, depuis 2018, le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en France – ainsi qu’un supercalculateur pour combiner les données EHT hébergées par le Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne. De plus, l’Europe a contribué au financement du projet de consortium EHT grâce à des subventions du Conseil européen de la recherche et de la société Max Planck en Allemagne.

    « C’est très excitant pour l’ESO d’avoir joué un rôle aussi important dans la percée des mystères des trous noirs, et de Sgr A* en particulier, pendant tant d’années », a commenté le directeur général de l’ESO, Xavier Barcons. « L’ESO a non seulement contribué aux observations EHT via les installations ALMA et APEX, mais a également permis, avec ses autres observatoires au Chili, certaines des observations révolutionnaires précédentes du centre galactique. » [2]

    La réalisation de l’EHT fait suite à la publication par la collaboration en 2019 de la première image d’un trou noir, appelé M87 *, au centre de la galaxie Messier 87 plus éloignée.

    Les deux trous noirs se ressemblent remarquablement, même si le trou noir de notre galaxie est plus de mille fois plus petit et moins massif que M87* [3]. « Nous avons deux types de galaxies complètement différents et deux masses de trous noirs très différentes, mais près du bord de ces trous noirs, ils se ressemblent étonnamment », déclare Sera Markoff, coprésidente du Conseil scientifique de l’EHT et professeur d’astrophysique théorique. à l’Université d’Amsterdam, aux Pays-Bas. « Cela nous indique que la relativité générale régit ces objets de près, et toute différence que nous voyons plus loin doit être due à des différences dans le matériau qui entoure les trous noirs. »

    Cette réalisation a été nettement plus difficile que pour M87*, même si Sgr A* est beaucoup plus proche de nous. Chi-kwan (‘CK’) Chan, scientifique de l’EHT, de l’Observatoire Steward et du Département d’Astronomie et du Data Science Institute de l’Université d’Arizona, aux États-Unis, explique : « Le gaz à proximité des trous noirs se déplace à la même vitesse – – presque aussi rapide que la lumière – autour de Sgr A* et de M87*. Mais là où le gaz met des jours, voire des semaines, à orbiter autour du M87*, plus grand, dans le Sgr A* beaucoup plus petit, il complète une orbite en quelques minutes. Cela signifie que la luminosité et la configuration du gaz autour de Sgr A * changeait rapidement pendant que la collaboration EHT l’observait – un peu comme essayer de prendre une photo claire d’un chiot pourchassant rapidement sa queue. »

    Les chercheurs ont dû développer de nouveaux outils sophistiqués qui rendaient compte du mouvement du gaz autour de Sgr A*. Alors que M87 * était une cible plus facile et plus stable, avec presque toutes les images se ressemblant, ce n’était pas le cas pour Sgr A *. L’image du trou noir Sgr A* est une moyenne des différentes images extraites par l’équipe, révélant enfin pour la première fois le géant qui se cache au centre de notre galaxie.

    Cet effort a été rendu possible grâce à l’ingéniosité de plus de 300 chercheurs de 80 instituts du monde entier qui, ensemble, forment la collaboration EHT. En plus de développer des outils complexes pour surmonter les défis de l’imagerie Sgr A*, l’équipe a travaillé avec rigueur pendant cinq ans, utilisant des superordinateurs pour combiner et analyser leurs données, tout en compilant une bibliothèque sans précédent de trous noirs simulés à comparer avec les observations.

    Les scientifiques sont particulièrement ravis d’avoir enfin des images de deux trous noirs de tailles très différentes, ce qui offre l’opportunité de comprendre comment ils se comparent et s’opposent. Ils ont également commencé à utiliser les nouvelles données pour tester des théories et des modèles sur le comportement du gaz autour des trous noirs supermassifs. Ce processus n’est pas encore entièrement compris, mais on pense qu’il joue un rôle clé dans la formation et l’évolution des galaxies.

    « Nous pouvons maintenant étudier les différences entre ces deux trous noirs supermassifs pour obtenir de nouveaux indices précieux sur le fonctionnement de ce processus important », a déclaré le scientifique de l’EHT, Keiichi Asada, de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique, Academia Sinica, Taipei. « Nous avons des images pour deux trous noirs – un à l’extrémité large et un à l’extrémité petite des trous noirs supermassifs dans l’Univers – nous pouvons donc aller beaucoup plus loin dans le test du comportement de la gravité dans ces environnements extrêmes que jamais auparavant. « 

    Les progrès de l’EHT se poursuivent : une importante campagne d’observation en mars 2022 a inclus plus de télescopes que jamais auparavant. L’expansion continue du réseau EHT et les mises à niveau technologiques importantes permettront aux scientifiques de partager des images encore plus impressionnantes ainsi que des films de trous noirs dans un avenir proche.

    Remarques

    [1] Les télescopes individuels impliqués dans l’EHT en avril 2017, lorsque les observations ont été effectuées, étaient : l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), l’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), le télescope IRAM de 30 mètres, le télescope James Clerk Maxwell (JCMT), le Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), le Submillimeter Array (SMA), le UArizona Submillimeter Telescope (SMT), le South Pole Telescope (SPT). Depuis lors, l’EHT a ajouté le télescope du Groenland (GLT), le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) et le télescope UArizona de 12 mètres sur Kitt Peak à son réseau.

    ALMA est un partenariat entre l’Observatoire européen austral (ESO ; l’Europe, représentant ses États membres), la National Science Foundation (NSF) des États-Unis et les Instituts nationaux des sciences naturelles (NINS) du Japon, ainsi que le Conseil national de la recherche (Canada ), le ministère des Sciences et de la Technologie (MOST ; Taïwan), l’Institut d’astronomie et d’astrophysique Academia Sinica (ASIAA ; Taïwan) et l’Institut coréen d’astronomie et des sciences spatiales (KASI ; République de Corée), en coopération avec la République du Chili. L’Observatoire conjoint ALMA est géré par l’ESO, l’Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) et l’Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ). APEX, une collaboration entre l’Institut Max Planck de radioastronomie (Allemagne), l’Observatoire spatial d’Onsala (Suède) et l’ESO, est exploité par l’ESO. Le télescope de 30 mètres est exploité par l’IRAM (les organisations partenaires de l’IRAM sont MPG [Germany]CNRS [France] et IGN [Spain]). Le JCMT est exploité par l’Observatoire d’Asie de l’Est pour le compte de l’Observatoire astronomique national du Japon ; ASIAA ; KASI ; l’Institut national de recherche astronomique de Thaïlande; le Centre for Astronomical Mega-Science et des organisations au Royaume-Uni et au Canada. Le LMT est exploité par l’INAOE et l’UMass, le SMA est exploité par le Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian et ASIAA et l’UArizona SMT sont gérés par l’Université de l’Arizona. Le SPT est exploité par l’Université de Chicago avec une instrumentation EHT spécialisée fournie par l’Université de l’Arizona.

    Le télescope du Groenland (GLT) est exploité par l’ASIAA et le Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). Le GLT fait partie du projet ALMA-Taiwan et est soutenu en partie par l’Academia Sinica (AS) et MOST. NOEMA est exploité par l’IRAM et le télescope UArizona de 12 mètres à Kitt Peak est exploité par l’Université de l’Arizona.

    [2] Une base solide pour l’interprétation de cette nouvelle image a été fournie par des recherches antérieures menées sur Sgr A*. Les astronomes connaissent la source radio lumineuse et dense au centre de la Voie lactée en direction de la constellation du Sagittaire depuis les années 1970. En mesurant les orbites de plusieurs étoiles très proches de notre centre galactique sur une période de 30 ans, des équipes dirigées par Reinhard Genzel (Directeur à l’Institut Max-Planck de Physique Extraterrestre à Garching près de Munich, Allemagne) et Andrea M. Ghez (Professeur du Département de physique et d’astronomie de l’Université de Californie, Los Angeles, États-Unis) ont pu conclure que l’explication la plus probable pour un objet de cette masse et de cette densité est un trou noir supermassif. Les installations de l’ESO (dont le Very Large Telescope et le Very Large Telescope Interferometer) et l’Observatoire de Keck ont ​​été utilisées pour mener à bien cette recherche, qui s’est partagée le prix Nobel de physique 2020.

    [3] Les trous noirs sont les seuls objets que nous connaissons dont la masse évolue avec la taille. Un trou noir mille fois plus petit qu’un autre est aussi mille fois moins massif.

    Supplément en Lettres de journal astrophysique, « Focus sur les premiers résultats Sgr A* du télescope Event Horizon » https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results

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