Ils étaient d’invisibles monstres tapis aux tréfonds du cosmos, les voici enfin dévoilés : les trous noirs sortent de l’ombre ! Le premier d’entre eux a été celui de la galaxie Messier 87, observé en 2019, et nouvel événement en 2022 avec l’image de Sagittarius A*, le trou noir central de notre galaxie. L’aboutissement de longues et minutieuses observations d’une flopée de télescopes, répartis de par le monde en un consortium : l’Event Horizon Telescope ou EHT. Un exploit d’ampleur astronomique, attendu depuis les premières théories d’Einstein, et qui ouvre la voie à une nouvelle astronomie où les trous noirs sont les nouveaux rois. Des ondes gravitationnelles issues de leurs fusions, à leurs ombres colossales que nous percevons enfin, ils éclairent notre univers d’un jour nouveau.

La première image du cœur de la Voie Lactée

Vous avez sous les yeux ce qu’aucun être humain n’a pu contempler avant le 12 mai 2022 : rien de moins que le trou noir supermassif au cœur de notre galaxie ! Son petit nom : Sagittarius A*. Il est situé à 27 000 années-lumière de nous et sa masse est d’environ 4 millions de fois celle de notre Soleil. En réalité, nous ne voyons pas le trou noir lui-même, par définition invisible, mais la région centrale, appelée ombre : un cœur obscur, l’horizon du trou noir, d’où la lumière elle-même ne ressort pas. Et autour, un anneau lumineux, vestige des rayons qui y sont déviés. Les couleurs sont fausses : il s’agit surtout de montrer la différence de luminosité.

© Collaboration EHT/ESO

Sagittarius A*
image légendée

La première illustration historique d’un trou noir

Voici la toute première image d’un trou noir ! Elle date de 1979, soit près de quarante années avant celle de l’EHT. C’est le chercheur du CNRS Jean-Pierre Luminet qui l’a conçue, calculée puis tracée à la main sur papier de Canson négatif noir, à partir des simulations numériques de ce que l’on imaginait à l’époque des trous noirs. Il a fallu placer chaque point individuellement ! Peu à peu, l’image prédite par la déformation des rayons lumineux derrière le trou noir, formant cet étrange cercle à son horizon, s’est dévoilée. Elle est désormais confirmée par les photos de l’EHT. Entre les deux, notons également la visualisation de Kip Thorne, prix Nobel de physique en 2017 et conseiller scientifique du film Interstellar.

Simulation numérique d’un disque d’accrétion gazeux autour d’un trou noir, publiée en 1979 © Jean-Pierre Luminet/CNRS

La révolution astronomique du big data

Si les trous noirs se dévoilent à notre époque, c’est que les progrès techniques l’ont permis. Grâce à une collaboration internationale hors norme et des serveurs high-tech.

Inconnus il y a un siècle, théoriques jusqu’au début des années 2000, les trous noirs sont désormais non seulement admis, mais se dévoilent en grand nombre. Une révolution en astronomie, permise par les exploits des équipes de l’EHT, mais aussi les progrès techniques. Car, pour manipuler les données de multiples télescopes répartis sur deux hémisphères, il fallait se doter d’excellent moyens de communications – de nos jours internet et les satellites le permettent – mais surtout de stockages conséquents ! C’est le règne moderne du big data, des données informatiques en quantité colossale, dans le domaine astronomique comme dans d’autres. Sans ces milliers de téraoctets, assidument collectés par les astronomes du monde entier, nous n’aurions pas sous les yeux ces premières images. Et le meilleur est à venir : avec l’arrivée de nouveaux télescopes, tel le Vera Rubin en 2023, les données rassemblées seront démultipliées. À tel point que certains astronomes militent pour une pause dans les constructions d’observatoires : non seulement cela permettrait de diminuer leur empreinte carbone, mais surtout cela leur laisserait le temps de souffler et d’analyser leurs données !

Sagittarius A* taken by the Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration / ALMA

Où se trouve le trou noir dans le ciel ?

Pour voir Sagittarius A*, il faut viser… le Sagittaire. C’est en effet dans cette constellation que se trouve le centre de la Voie Lactée. Mais n’espérez pas repérer à l’œil nu ce corps situé à 26000 années-lumière de nous. Aux dires même des équipes derrière sa première représentation imagée, « la taille du trou noir dans le ciel équivaut à celle d’un beignet sur le sol de la Lune depuis la Terre ! » Soit un diamètre de 52 microsecondes d’arc, l’unité de mesure privilégiée en astronomie – à comparer aux 40 à 45 secondes d’arc pour le diamètre de Jupiter ! Il a donc fallu déployer des efforts considérables pour observer notre trou noir galactique, alors même que la Terre bouge par rapport à lui.

© ESO/José Francisco Salgado/Collaboration EHT

image légendée

Voici les télescopes impliqués dans les observations de Sagittarius A* en 2017 : ALMA et APEX, au Chili ; le télescope de 30 mètres de l’IRAM, en Espagne ; le JCMT et le SMA, à Hawaï ; le LMT, au Mexique ; le SMT, en Arizona ; le SPT au Pôle Sud. Les trois télescopes ayant rejoint la Collaboration ESO après 2018 sont en bleu : le télescope du Groenland ; Noema, en France ; et le télescope de 12 mètres de l’Arizona, à Kitt Peak © ESO/M. Kornmesser

Les équipes de l’EHT

La collaboration Event Horizon Télescope rassemble onze équipes de radiotélescopes réparties en divers points du globe : huit équipes impliquées dès 2017, rejointes par trois de plus entre 2018 et 2020. Mais ces télescopes étant partenaires d’organisations de tous pays (Europe, Asie, Amérique), ses membres sont issus de plusieurs dizaines d’universités et laboratoires ! Pour la première image de M87*, ils étaient ainsi 200 chercheuses et chercheurs répartis sur 20 pays. Et ils sont désormais 300 personnes issues de 80 instituts !

© Collaboration EHT

image légendée

Les coulisses d’une image d’exception

Comment une telle image a-t-elle pu être prise ? Plus qu’une photo, il s’agit du résultat de multiples observations, compilées pour obtenir le rendu le plus fidèle.

Pour mettre le trou noir en lumière, il ne suffit pas de pointer un télescope vers lui. Il a fallu employer la Terre elle-même ! Plus exactement, onze télescopes, répartis en différents points du globe. Le tout formant le consortium de l’EHT : Event Horizon Telescope, le « télescope de l’horizon des événements ». Ces télescopes ont dû pointer vers le trou noir en même temps, avant de compiler leurs résultats. Une technique dite d’interférométrie : en combinant les ondes lumineuses, on peut artificiellement reconstituer un radiotélescope de la taille de la Terre. Ce que nous voyons n’est donc pas  une « photo » au sens habituel, mais une représentation des données radiométriques mesurées. Si individuellement chaque télescope n’est pas assez précis, la combinaison de leurs mesures peut le devenir. À condition d’avoir une précision extrême – les horloges étant synchronisées à la perfection et ne déviant que d’une seconde tous les 100 millions d’années – et de multiplier les données, grâce aux ordinateurs et capacités de stockages actuels. De plus, le trou noir lui-même n’est pas une simple étoile qui brille ! Entouré d’autres étoiles, ou de nuages de gaz, il change sans cesse d’apparence. L’EHT a donc publié ses résultats sous la forme de la moyenne de mesures d’interférométrie. Pour reprendre les comparaisons avancées par ses chercheurs eux-mêmes, c’est un peu comme capturer la photo d’une montagne par temps nuageux, et retirer manuellement les nuages après avoir pris une centaine de photos. On obtient ainsi une image recomposée, mais qui montre bien la réalité !

M87* et SgrA*

M87* et SgrA*, de faux jumeaux

À les voir côte à côte, les deux trous noirs supermassifs semblent étrangement analogues. Quelles que soient leurs tailles, les trous noirs se comportent de la même manière. Résultat : en accrétant de la matière autour d’eux et en déviant les rayons lumineux, ils adoptent des formes semblables. Mais dans les faits, un gouffre les sépare ! Ainsi, notre trou noir local de Sagittarius A* s’étend sur 2,5 années-lumière, soit environ 24 millions de km. Contre 1500 fois plus pour M87* ! Il faut dire que leurs masses n’ont rien à voir : SgrA* pèse 4 millions de soleils, contre 2400 milliards pour celui de la constellation de la Vierge. Le complexe d’infériorité n’est pas loin, même à l’échelle galactique !

À gauche, M87* aux dimensions comparables à celles de notre Système solaire. À droite, SgrA* inscrit dans l’orbite de Mercure © Collaboration EHT/Lia Medeiros, xkcd

Des fusions de trous noirs révélées par des ondes

Si les trous noirs se dévoilent grâce aux photos de leurs « ombres » grâce à l’EHT, d’autres équipes les repèrent désormais d’une toute autre manière : par leurs fusions gargantuesques ! En effet, lors de la fusion de deux trous noirs massifs, l’espace-temps subit des distorsions telles que des ondes gravitationnelles sont émises dans toutes les directions. C’est-à-dire que l’espace-temps lui-même se déforme à leur passage ! Pour les repérer, il a fallu construire d’immenses interféromètres, comme LIGO (aux Etats-Unis), Kagra (au Japon) et VIRGO (en Italie). Les premières détections datent de septembre 2015, et permettent de « voir » les trous noirs d’une manière nouvelle.

Vue d’artiste © LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet) 

vue d'artiste montrant la fusion de trous noirs

D’Einstein à l’EHT

De leur conceptualisation aux premières photos, retour sur les découvertes qui ont permis de prouver l’existence des trous noirs.

Les trous noirs sont directement liés à la conception moderne de l’espace et du temps, initiée par Albert Einstein et ses confrères du début du 20e siècle. Dans ce cadre, les trous noirs sont une déformation spatio-temporelle, où leur masse immense crée un puits en quatre dimensions. Son bord est un horizon où le temps semble suspendu et d’où rien ne ressort, pas même la lumière. Un concept extrêmement dérangeant, y compris pour Albert Einstein ! Il écrira ainsi en 1939 que l’idée n’était « pas convaincante » et que le concept, à ses yeux purement théoriques, « n’existait pas dans le monde réel ». Pendant longtemps, on a donc ignoré l’existence d’un trou noir au cœur de notre Voie Lactée. En 1933, d’étranges signaux en ondes radio ont été captés depuis son centre, notre premier « contact » avec le trou noir ! Il faut attendre 1974 pour que l’on isole « Sagittarius A* » dans une zone compacte. Les mesures révélaient qu’une masse colossale trônait bien dans cette zone très précise. Mais ce cœur galactique était trop brillant pour être observé, car empli d’étoiles en rotation autour du trou noir. Or, on constate en 2002 (à l’aide du Very Large Telescope au Chili) que certaines étoiles passent très près de ce centre mystérieux. D’autres en ressortent même, éjectées à des vitesses folles par effet fronde : jusqu’à 5000 km par seconde ! C’est le cas de S2, qui tourne en 16 ans autour de SgrA*, avant de redescendre sous une vitesse plus « raisonnable » de 500 km par seconde. Depuis les premières images de l’EHT, le doute n’est plus permis : les trous noirs sont bien réels !

Vue d'artiste des abords du trou noir supermassif dans NGC 3783

Trous noirs de nouvelle génération

À l’instar des boxeurs, les trous noirs appartiennent à différentes catégories. Ceux révélés par l’EHT, M87* et SgrA*, sont supermassifs : leur masse est supérieure à 10 000 fois notre Soleil. Ce type de trous noirs trône en général au centre des galaxies et nous est de plus en plus familier. Une large population existe également, de plus petite taille : les trous noirs stellaires, d’une masse variant de 8 à 40 masses solaires. Comment les trous noirs changent-ils de catégorie ? Sans doute par fusions successives de trous noirs « intermédiaires ». À moins qu’il ne s’agisse de trous noirs « primordiaux », datant de l’aube de l’Univers, qui auraient ensuite fusionné. Le mystère conserve sa part d’ombre !

Vue d’artiste des abords du trou noir supermassif dans NGC 3783 © ESO/M. Kornmesser

Bientôt la première vidéo ?

Après la première photo, les vidéos arrivent, et de plus amples résultats sont à attendre des observations de l’EHT. Au-delà, le consortium réfléchit à se réinventer.

Quelle suite donner à ces fantastiques photos ? Les équipes de l’EHT ne comptent pas s’arrêter en si bon chemin. La première étape sera… d’analyser les nombreuses données. En effet, elles s’accumulent depuis 2017, et tout n’a pas encore été exploité ! Au départ, seuls huit télescopes observaient leurs cibles. Puis trois nouveaux ont rejoint la collaboration pour porter le total à 11 en 2022. La suite sera donc de compiler ces nouvelles données, et de profiter de nouvelles observations, afin de publier des vidéos du trou noir. L’idée étant de montrer plus en détail sa rotation, ou son évolution au fil des orbites des étoiles qui l’entourent. Mais étant donné le travail colossal pour aboutir à deux simples « photos », les vidéos devront attendre encore quelques années. D’ici là, le consortium compte trouver de nouvelles cibles à découvrir. Les trous noirs supermassifs ne sont pas tous connus, et l’équipe cherche à trouver des cibles suffisamment proches de nous pour être observées. Avec un rêve : trouver deux trous noirs supermassifs sur le point de fusionner entre eux. L’observation pourrait être pour la première fois capturée par les télescopes, mais aussi par les ondes gravitationnelles émises ! Pour l’heure, la meilleure cible se situe dans la galaxie NGC 7727, à 89 millions d’année-lumière de nous. Avec une fusion prévue d’ici à 250 millions d’années… Au-delà, l’EHT se transformera en « Next-Generation EHT » ou ngEHT, avec deux fois plus de télescopes intégrés au consortium, pour obtenir quatre fois plus de données. Et peut-être, atteindre le micro-arc seconde, qui dévoilerait de nouvelles structures, comme l’anneau de photon (mince anneau de lumière créé par des photons projetés à l’arrière du trou noir par sa gravité).

Théza, le télescope plus grand que la Terre

Comment atteindre des dimensions plus grandes que celles d’un télescope de la taille de la Terre ? En allant dans l’espace bien sûr ! C’est l’idée du projet Théza, pour TeraHertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics. Encore en développement, ce télescope d’un nouveau genre serait constitué de trois larges antennes de 10 à 15 mètres de diamètre, placées en orbite autour de la Terre. Mais les défis technologiques restent nombreux, comme l’envoi d’une telle masse en orbite. Une alternative consisterait à placer en orbite une flottille de petits télescopes en réseau. Dans tous les cas, ce projet ambitieux pourrait voir le jour d’ici à 2050, soit après l’EHT « nouvelle génération » (ngEHT) qui prendra la suite de l’EHT pour réaliser des images plus précises et des vidéos de trous noirs. 

Vue d’artiste du concept de vaisseau spatial Theza à trois éléments © arXiv 19 avril 2022

Concept de vaisseau spatial Theza utilisant une seule antenne parabolique (à gauche) et un réseau phasé (à droite)