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

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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 radiotélescope.


First image of our black holeVoici la première image de Sgr A*, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie. C’est la première preuve visuelle directe de la présence de ce trou noir. Il a été capturé par Event Horizon Telescope (EHT), un réseau qui reliait huit observatoires radio existants à travers la planète pour former un seul télescope virtuel « de la taille de la Terre ». Le télescope porte le nom de l’horizon des événements, la limite du trou noir au-delà de laquelle aucune lumière ne peut s’échapper. Bien que nous ne puissions pas voir l’horizon des événements lui-même, car il ne peut pas émettre de lumière, le gaz incandescent en orbite autour du trou noir révèle une signature révélatrice : une région centrale sombre (appelée ombre) entourée d’une structure lumineuse 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. L’image du trou noir Sgr A* est une moyenne des différentes images que la collaboration de l’EHT a extraites de ses observations de 2017. En plus d’autres installations, le réseau de l’EHT d’observatoires radio qui a rendu cette image possible 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 est un partenaire au nom de ses États membres en Europe. © Collaboration Event Horizon Telescope et European Southern Observatory.

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.

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“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 comprendre ce qui se passe au centre même de notre galaxie, et offrir de nouvelles perspectives sur la façon dont ces trous noirs géants interagissent avec leur environnement.”

Les résultats de l’équipe de l’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 a relié 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. En plus d’autres installations, le réseau de l’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 de l’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 de l’EHT hébergées par le Max Planck Institut de radioastronomie en Allemagne. De plus, l’Europe a contribué au financement du projet de consortium de l’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 de l’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”?

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Cette réalisation a été nettement plus difficile que pour M87*, même si Sgr A* est beaucoup plus proche de nous. Le scientifique de l’EHT Chi-kwan (‘CK’) Chan, 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 M87 *. Mais là où le gaz met des jours, voire des semaines, à orbiter autour du plus gros M87*, dans le beaucoup plus petit Sgr A*, il complète une orbite en quelques minutes seulement. Cela signifie que la luminosité et le motif du gaz autour de Sgr A * changeaient rapidement pendant que la collaboration de l’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 de l’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”.

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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.

Notes

[1] Les télescopes impliqués dans l’EHT en avril 2017, lorsque les observations ont été effectuées, étaient :

  • L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA)ALMA est un partenariat entre l’European Southern Observatory (ESO), 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’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) : 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 IRAM de 30-meter Telescope :  Le 30-meter Telescope est exploité par l’IRAM (les organisations partenaires de l’IRAM sont MPG [Allemagne], CNRS [France] et IGN [Espagne]).
  • Le James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) : 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 Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), exploité par l’INAOE et l’UMass.
  • Le Submillimeter Array (SMA) : le SMA est exploité par le Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian et ASIAA et l’UArizona SMT est exploité par l’Université de l’Arizona.
  • Le SPT est exploité par l’Université de Chicago avec une instrumentation de l’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 UArizona 12-meter telescope at 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 de 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 connus dont la masse évolue avec la taille. Un trou noir mille fois plus petit qu’un autre est aussi mille fois moins massif.

Plus d’informations

Cette recherche a été présentée dans six articles publiés dans The Astrophysical Journal Letters.

Voir les publications

  • Main papers : 

Source

European Southern Observatory.

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