Première photo d’un trou noir : entretien avec Alain Klotz de l’IRAP

Mercredi 10 avril, la toute première photo d’un trou noir a été publiée. C’est la première fois qu’on observe un trou noir directement ! Aujourd’hui la patience de centaines de scientifiques, un télescope de la taille de la Terre et des pétaoctets d’algorithmes ont eu raison du défi de voir ce qui est littéralement invisible.

A l’occasion de cette première scientifique, je suis allé poser quelques questions le jour même à l’astrophysicien Alain Klotz à l’IRAP (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, Toulouse), à l’issue de sa conférence sur les ondes gravitationnelles, organisée au sein de l’Université Toulouse III Paul Sabatier par l’association d’astronomie UPS in Space.

Bienvenue dans un monde où les masses se comptent en millions de soleils ! Pour plus de 99% des gens, il est tout simplement impossible de se représenter ces ordres de grandeurs. Pour vous aider à vous remettre les idées en place, voici un petit topo simple : vous tenez sur vos pieds sur la terre ferme grâce au champ gravitationnel de la Terre, qui elle-même est soumise à la gravitation du Soleil en tournant autour. Ce Soleil, comme 300 autres milliards d’étoiles, tourne autour du centre de la Voie Lactée, notre galaxie. La communauté scientifique s’est aperçue qu’au centre galactique, et comme pour toutes les grandes galaxies, se trouve un trou noir supermassif. Eh ben voilà ce qu’on a réussi à observer pour la première fois, un des objets les plus lourds que l’humanité connaisse. Imaginez un mastodonte dont la masse fait 6,5 milliards de fois la masse du Soleil, lui-même faisant 333 000 fois la masse de la Terre, qui elle fait 10²² fois la masse de Juan Pedro Franco, l’homme le plus lourd au monde (597 kilos).

En gros, on a observé un objet faisant 1.29*10^40 kg, autrement dit : 12 928 500 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kilos.

Avant de passer à la suite, je vous conseille de prendre un café, histoire d’encaisser ces grandeurs ! Profitez-en pour regarder combien, en taille, un trou noir est petit, et donc difficile à observer :

⚫️ Scale is so hard to grasp.
People will talk about an orange on the moon, but I don't know how small that is…
So I made this:
(animation by Maria Raykova) pic.twitter.com/0ew5X5DTBg

— Derek Muller (@veritasium) April 10, 2019

Just for fun, let's compare the pixel scale of the Hubble Space Telescope's WFC3 camera with the Event Horizon Telescope image released today. #enhance pic.twitter.com/DUuhU1xs7y

— Dr. Alex Parker (@Alex_Parker) April 10, 2019

Tout d’abord, le trou noir observé n’est pas celui qui se trouve au centre de la Voie Lactée, mais se trouve au centre d’une galaxie elliptique voisine : M87 (Messier 87), à 55 millions d’années-lumière de nous. C’est relativement près car il faudrait seulement un bon million de siècles pour avoir une réponse à votre communication sur Skype.

Toutes les grandes galaxies disposent d’un trou noir supermassif à leur centre. Ces trous noirs sont eux-mêmes les objets les plus lourds de l’Univers. Rappelons-le, un trou noir provient de l’effondrement d’une étoile mourante sur elle-même. Selon de nombreux scientifiques, les trous noirs supermassifs seraient des vieux trous noirs qui, pendant des milliards d’années, ont mangé des étoiles autour d’eux.

Pourquoi un trou noir est-il invisible ? Cette photo, en soi, berne toute l’astrophysique car comment voir quelque chose qui n’émet pas ? Un trou noir est tellement massif et si petit pour sa masse (si si) qu’il est capable de déformer l’espace. Cette idée qui semble saugrenue découle de la théorie de la relativité générale établie par Albert Einstein entre 1907 et 1915. Grosso-modo, cela dit qu’un objet massif est capable de déformer l’espace-temps. Avec un trou noir, on a atteint le point de non-retour. C’est tellement massif que ça peut déformer l’espace-temps au point que la trajectoire de la lumière qui en réchappe y retourne. Du coup, c’est vite parler en disant qu’un trou noir n’émet pas (Stephen Hawking avait d’ailleurs suggéré le contraire), mais la lumière elle-même ne peut s’en évader.

Alors comment a-t-on fait ? En observant la matière qui se trouve juste à côté. Quand un trou noir absorbe de la matière, ce n’est pas à la façon de Starkiller dans Star Wars. La matière stellaire ou interstellaire va d’abord former un « disque » d’accrétion autour du trou noir, qui sera progressivement absorbé quand toute la matière sera passée au-delà de l’horizon. C’est ce disque de matière qui émet en étant très fortement chauffé par la pression des forces gravitationnelles extrêmes (émission en rayons X-gamma).

Parmi les premières simulations d’images, on compte celles de l’astrophysicien français Jean-Pierre Luminet. Et jusqu’à aujourd’hui, aucune observation directe n’était possible à cause de la taille d’un trou noir. En effet, pour observer le disque d’accrétion autour du trou noir tout en étant capable d’y distinguer le trou noir lui-même à l’intérieur, il fallait une résolution spatiale inédite, la microseconde d’arc. Et pour cela, il ne fallait pas moins qu’un télescope de la taille de la Terre !

Le télescope utilisé est en fait un réseau de radiotélescopes nommé EHT (Event Horizon Telescope). Les émissions du disque d’accrétion ne sont visibles qu’en submillimétrique (onde radio), ce qui est pour une fois, un avantage considérable. En effet, la résolution spatiale d’un radiotélescope progresse directement avec le diamètre de l’antenne, ou, en réseau, la distance maximale entre deux radiotélescopes. Donc tant qu’à faire, autant mettre en réseau des réseaux de radiotélescopes dans le monde entier ! En tout, 8 radiotélescopes ont été mis en réseau pour constituer l’EHT :

• ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array : Chili, 66 antennes, ESO / NRAO / NAOJ)
• APEX (Atacama Pathfinder EXperiment : Chili, 1 antenne de 12m de diamètre, Institut Max Planck / Observatoire spatial d’Onsala / ESO)
• NOEMA (NOrthern Extended Millimeter Array : plateau de Bure et Grenade, 10 antennes, IRAM/CNRS)
• JCMT (James Clerk Maxwell Telescope : Hawaï, 1 antenne de 15m de diamètre, PPARC / National Research Council of Canada / Netherlands Organization for Scientific Research)
• LMT (Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano : volcan Sierra Negra, Mexique, 1 antenne de 50m de diamètre, INAOE / UMass)
• SMA (SubMillimeter Array : Hawaï, 8 antennes, Smithsonian Astrophysical Observatory / Academia Sinica)
• ARO/SMT (Arizona Radio Observatory / Heinrich Hertz Submillimeter Telescope Observatory : Arizona, 1 antenne de 10m de diamètre, Université de l’Arizona / institut Max Planck)
• SPT (South Pole Telescope : station polaire Amundsen, Antarctique, 1 antenne de 10m de diamètre)
• On aurait pu avoir un télescope spatial encore plus large si l’on rajoutait les radiotélescopes spatiaux, comme le Spektr-R. Mais c’était probablement trop compliqué à synchroniser.

Pour coordonner tous ces télescopes et traiter les données, il a fallu plus de 200 scientifiques. Les mesures radio, enregistrées en 2017, ont duré plusieurs jours. Elles ont été enregistrées sur disques durs à raison de 64 Gb/s, faisant au final un stock de plus de 4 Pétabytes de données, réparties sur 64 disques durs ! Les données ont été traitées par deux supercalculateurs à Bonn et à Haystack (USA).

La taille du trou noir de M87 permettait d’être résolue spatialement par un tel système, qui était « capable de lire depuis Paris un journal situé à New York » (20 µs d’arc). Cette résolution jamais obtenue auparavant n’était pas de trop pour distinguer le trou noir de son disque d’accrétion : le trou noir ne fait que 20 milliards de km de diamètre (c’est tout de même énorme pour un trou noir, ça correspond à deux fois la taille du Système Solaire, mais à une telle distance de nous c’est minuscule ! Autre contrainte, il fallait un trou noir avec une inclinaison suffisante pour obtenir une image solvable. C’est pour cela qu’on n’a pas choisi le trou noir au centre de la Voie Lactée car il est trop de profil.

Selon Alain Klotz, il faudrait une résolution encore supérieure pour voir mieux qu’un simple liseré autour du trou noir et ainsi mieux comprendre la dynamique du disque.

4 pétabytes, 55 millions d’années lumières, 8 radiotélescope, à ce stade, je vous conseille d’aller boire un second café pour digérer tous ces chiffres, en écoutant cet entretien avec Alain Klotz pour parler notamment des retombées scientifiques de cette photo historique :

Entretien avec Alain Klotz (IRAP)

Vous trouverez aussi le replay de la conférence de presse européenne du 10 avril annonçant l’image :

Sources principales : Alain Klotz, CNRS, SpaceNews, ESO, IRAM, MIT, PhysicsWorlds.com, Cité de l’espace, Thomas Appéré.