Parmi les 200 chercheurs qui ont travaillé à cette image historique, Dimitrios Psaltis avait pour mission de prouver qu’Einstein avait raison et qu’il s’agissait bien d’un trou noir.

par Laura Boudoux | 12 avril 2019

En ce mercredi 10 avril 2019, l’at­­ten­­tion média­­tique du monde entier est braquée sur six confé­­rences de presse, orga­­ni­­sées en simul­­ta­­née à travers le globe. Pour la toute première fois, l’hu­­ma­­nité s’ap­­prête à décou­­vrir une véri­­table photo­­gra­­phie d’un trou noir, certai­­ne­­ment l’objet cosmique le plus mysté­­rieux et inac­­ces­­sible de l’uni­­vers. Dévoi­­lée à 15 h 00 en France, l’image montre un anneau de feu qui auréole le trou noir de la galaxie Messier 87, située à quelque 55 millions d’an­­nées-lumière de la Terre. Une fiction faite réalité qui colle incroya­­ble­­ment aux simu­­la­­tions faites depuis des années.

Projet spec­­ta­­cu­­laire porté par une équipe inter­­­na­­tio­­nale de 200 scien­­ti­­fiques, l’Event Hori­­zon Teles­­cope (l’EHT, soit « le Téles­­cope de l’ho­­ri­­zon des événe­­ments ») est une syner­­gie de forces excep­­tion­­nelle dans l’his­­toire de l’as­­tro­­no­­mie. C’est en effet grâce à huit radio­­té­­les­­copes répar­­tis entre le Mexique, le Chili, les États-Unis et l’Es­­pagne, que le Pr Dimi­­trios Psal­­tis, spécia­­liste de la rela­­ti­­vité géné­­rale qui enseigne l’as­­tro­­phy­­sique à l’uni­­ver­­sité d’Ari­­zona, et scien­­ti­­fique en charge du projet Event Hori­­zon Teles­­cope, a pu véri­­fier la fameuse théo­­rie d’Al­­bert Einstein élabo­­rée dès 1907.

Si denses qu’ils empêchent la matière et la lumière de s’échap­­per, les trous noirs sont impos­­sibles à obser­­ver à l’œil nu. Mais l’EHT est parvenu à en immor­­ta­­li­­ser une silhouette, consti­­tuée du plasma bouillon­­nant qui tour­­billonne autour de l’abîme. Dimi­­trios Psal­­tis qui, lors de notre conver­­sa­­tion, compare avec humour cette prouesse scien­­ti­­fique et tech­­no­­lo­­gique avec le fait de réus­­sir à « prendre en photo un donut placé à la surface de la Lune ».

Que nous apprend la première photo­­gra­­phie d’un trou noir ?

Ce que nous voyons pour la toute première fois, c’est un trou noir compact et son plasma, situé au centre de la galaxie Messier 87. Nous appre­­nons d’abord que ces concen­­tra­­tions super­­­mas­­sives présentes au centre des galaxies, dont nous dédui­­sions jusqu’ici l’exis­­tence, sont effec­­ti­­ve­­ment des trous noirs, comme Albert Einstein l’avait prédit grâce à sa théo­­rie de la rela­­ti­­vité. Nous voyons sur cette image les gaz brûlants qui forment ce plasma autour du trou noir, et qui possèdent une tempé­­ra­­ture extrê­­me­­ment élevée esti­­mée à plusieurs milliards de degrés, ainsi qu’un champ magné­­tique dans l’ho­­ri­­zon proche du trou noir. Encore une fois, c’est ce qu’Al­­bert Einstein prédi­­sait.

Le trou noir est si dense qu’il ne permet pas à la lumière de s’échap­­per, et ce que nous obser­­vons est en fait sa silhouette, par contraste. Ce que nous avons décou­­vert, c’est que beau­­coup d’émis­­sions lumi­­neuses du subplasma, c’est-à-dire qui se trouvent sous la membrane plas­­mique, se dirigent vers le trou noir, et projettent au centre l’ombre que nous voyons sur l’image : un trou noir dont la masse est 6,5 milliards de fois supé­­rieure à celle du Soleil.

Crédits : ESO

Nos calculs nous permettent égale­­ment de déter­­mi­­ner la taille du trou noir, soit envi­­ron 20 milliards de kilo­­mètres de large, ce qui repré­­sente deux fois notre Système solaire. Nous étions très heureux de voir que ce que nous avions imaginé corres­­pon­­dait parfai­­te­­ment à la réalité de la beauté des tréfonds de l’uni­­vers… Mais en même temps, nous aurions adoré trou­­ver des diffé­­rences, car ce sont géné­­ra­­le­­ment elles qui conduisent aux révo­­lu­­tions de la science. Ce que nous pouvons dire aujourd’­­hui, c’est que les théo­­ries passées se véri­­fient : nous voyons une ombre ayant une masse et une taille qui corres­­pondent à ce qu’Al­­bert Einstein avait prédit.

Pourquoi était-il si impor­­tant d’ob­­te­­nir une repré­­sen­­ta­­tion réelle de ce phéno­­mène cosmique ?

Il y a beau­­coup de raisons à l’en­­thou­­siasme suscité par cette décou­­verte. La plus impor­­tante, selon moi, c’est qu’il s’agit d’un grand moment d’in­­tel­­li­­gence humaine, au cours duquel nous utili­­sons le monde, en nous basant sur ce que nous obser­­vons. La Lune tourne autour de la Terre, qui est elle-même en orbite autour du Soleil : nous nous appuyons sur ces construc­­tions mathé­­ma­­tiques, et sur des théo­­ries, pour les pous­­ser à l’ex­­trême et les véri­­fier. Véri­­fier la rela­­ti­­vité géné­­rale d’Ein­­stein, c’est pour moi un triomphe de l’in­­tel­­lect humain. En tentant de comprendre ce qu’il se passe autour de nous, nous pouvons expliquer et prévoir ce qui arrive dans les profon­­deurs de l’uni­­vers.

Cette photo consti­­tue-t-elle la première preuve de l’exis­­tence des trous noirs super­­­mas­­sifs ?

C’est en tout cas la meilleure preuve que nous ayons, la plus forte jamais consti­­tuée, puisqu’il s’agit de la première image directe, réelle. L’EHT est un projet extrê­­me­­ment ambi­­tieux, nous sommes arri­­vés à un point où nous pous­­sons extrê­­me­­ment loin nos capa­­ci­­tés d’ob­­ser­­va­­tion, et cette photo nous conduit au niveau supé­­rieur.

Il était pour nous symbo­­lique de la publier main­­te­­nant, exac­­te­­ment 100 ans après l’ex­­pé­­di­­tion Edding­­ton, qui a prouvé certaines prédic­­tions de la théo­­rie de la rela­­ti­­vité. À la même époque, l’as­­tro­­nome améri­­cain Heber Doust Curtis a décou­­vert la première preuve de l’exis­­tence des objets cosmiques appe­­lés galaxies spirales, ce qui lui permet­­tait d’af­­fir­­mer que notre Voie Lactée n’était qu’une galaxie parmi de très nombreuses autres dans l’uni­­vers. Nous obte­­nons aujourd’­­hui cette photo­­gra­­phie, mais ces recherches se pour­­suivent depuis plus d’un siècle.

Le réseau plané­­taire de radio­­té­­les­­copes de l’EHT
Crédits : ESO

Pourquoi avez-vous choisi d’ob­­ser­­ver M87, qui n’est pas le trou noir le plus proche de la Voie lactée ?

Il se situe à 55 millions d’an­­nées-lumières de la Terre, mais il s’agit du deuxième plus gros trou noir dans le ciel. Nous voulions que notre cible possède une très grande ombre, assez large pour que nous puis­­sions réali­­ser une obser­­va­­tion la plus précise possible avec les téles­­copes. Il y a dix ans, nous avons analysé le trou noir pour obte­­nir sa masse et sa taille suppo­­sée, et nous avons déter­­miné qu’il était opti­­mal pour ce projet. Nous avons égale­­ment observé Sagit­­ta­­rius A*, le trou noir super­­­mas­­sif le plus proche de la Terre, situé au centre de la Voie lactée. M87* est certes 200 fois plus éloi­­gnée, mais il est surtout 200 fois plus grand. La réso­­lu­­tion de l’image que nous avons obte­­nue grâce à l’EHT est équi­­va­­lente au fait de lire un jour­­nal sur une terrasse pari­­sienne, alors que vous vous trou­­vez sur un toit de New York.

Pour prendre en photo le trou noir de la galaxie M87, il nous fallait un téles­­cope de la taille de la Terre, ce qui bien sûr n’existe pas. La première chose que nous avons faite a donc été de choi­­sir six radio­­té­­les­­copes autour du globe dotés d’hor­­loges atomiques suffi­­sam­­ment précises pour enre­­gis­­trer toutes les données aussi fidè­­le­­ment que possible. Tous étaient braqués simul­­ta­­né­­ment vers le centre de la galaxie, à un dix-millième de milliar­­dième de seconde près, grâce à l’exac­­ti­­tude que permet leur horloge atomique. L’ob­­ser­­va­­tion a fina­­le­­ment eu lieu du 5 au 14 avril 2017, et s’est appuyée sur une tech­­nique appe­­lée inter­­­fé­­ro­­mé­­trie à très longue base (VLBI). Elle permet de synchro­­ni­­ser les téles­­copes du monde entier, en exploi­­tant la rota­­tion de la Terre.

Pendant plusieurs mois, nous avons collecté les données, dans le but de les combi­­ner, comme si elles ne prove­­naient que d’un seul téles­­cope. En tout, nous avons reçu cinq péta­­bits de données [l’équi­­valent de 5 000 ans de fichiers MP3]. Stockées sur des disques durs spécia­­li­­sés, ces infor­­ma­­tions étaient si lourdes qu’elles ont été envoyées par FedEx plutôt que d’être trans­­fé­­rées numé­­rique­­ment ! Il y a encore cinq ans, nous n’avions même pas le maté­­riel néces­­saire pour le stockage de telles données. Mais nous avions un appé­­tit immense, et heureu­­se­­ment, la tech­­no­­lo­­gie a progressé aussi vite que lui.

Le Pr Dimi­­trios Psal­­tis
Crédits : Univer­­sity of Arizona

À l’été 2018, nous avons donc été enfin capables d’assem­­bler toutes ces données pour arri­­ver à une seule et même photo. Nous avons ensuite analysé l’image, mesuré la taille de l’ombre, la masse du trou noir, et tenté de comprendre les impli­­ca­­tions qu’elle avait vis-à-vis de la théo­­rie de la rela­­ti­­vité d’Ein­­stein.

Les trous noirs ont-ils une influence sur notre galaxie ?

Ils sont si massifs qu’ils attirent énor­­mé­­ment de matière présente dans leurs envi­­rons, mais ils sont trop loin de la Terre pour avoir un impact sur elle. Cepen­­dant, dans l’his­­toire de l’uni­­vers, d’une façon ou d’une autre, la manière dont les galaxies et les trous noirs ont été formés sont très liées. Je ne serais donc pas surpris que l’on découvre que la créa­­tion de notre galaxie et de ses planètes soit corré­­lée à la présence de trous noirs super­­­mas­­sifs en son centre.

Nous devons désor­­mais mener des recherches très précises, pour rentrer dans les détails et creu­­ser très profon­­dé­­ment dans les données que nous avons collec­­tées, afin de comprendre mieux encore quels sont les effets des trous noirs sur la gravité et l’es­­pace-temps de leur envi­­ron­­ne­­ment. Nous souhai­­tons égale­­ment effec­­tuer toujours plus d’ob­­ser­­va­­tions, avec plus de téles­­copes, pour obte­­nir des photos plus nettes et plus belles.

Sera-t-il un jour possible d’ap­­pro­­cher un trou noir ?

Il y a cinq ans, je donnais une confé­­rence avec mes élèves à Hawaï, pour présen­­ter le projet EHT ainsi que nos prédic­­tions. À la fin, un collègue et ami est venu me voir et m’a dit : « C’était une très belle confé­­rence, mais ça ne marchera jamais ! » Les gens ne pensaient pas forcé­­ment que nous étions fous, mais que les tech­­no­­lo­­gies dont nous aurions besoin n’étaient pas près d’exis­­ter.

De la même manière, il y a 150 ans, les gens n’au­­raient jamais pensé que nous puis­­sions un jour aller sur la Lune. Pour le moment, nous n’avons pas accès à la tech­­no­­lo­­gie qui nous permet­­tra de nous appro­­cher d’un trou noir, mais j’ai confiance. Vu la manière dont l’hu­­ma­­nité évolue, nous pour­­rons certai­­ne­­ment le faire un jour !

Crédits : ESO

Couver­­ture : La première photo­­gra­­phie d’un trou noir. (EHT/ESO)


 

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