Il y a près de cinq ans, une équipe mondiale d’astronomes a donné au monde son tout premier aperçu d’un trou noir. L’équipe a désormais validé à la fois ses découvertes originales et notre compréhension des trous noirs avec une nouvelle image du trou noir supermassif M87*. Ce trou noir supermassif, 6,5 milliards de fois la masse de notre soleil, réside au centre de la galaxie Messier 87 (M87) dans l’amas de galaxies de la Vierge, situé à 55 millions d’années-lumière de la Terre.
La nouvelle image, comme l’ancienne, a été capturée par l’Event Horizon Telescope (EHT), un réseau de radiotélescopes s’étendant à travers la planète. Ces nouvelles données ont cependant été recueillies un an plus tard, en 2018, et ont bénéficié de l’amélioration du réseau de télescopes, notamment avec l’inclusion d’un télescope au Groenland.
L’image originale de M87* prise par l’EHT était importante non seulement parce qu’elle représentait la première fois que des humains imaginaient un trou noir, mais aussi parce que l’objet ressemblait à ce à quoi il était censé ressembler. L’image montre notamment ce que l’on appelle une ombre de trou noir, une région sombre au centre d’un disque lumineux de matière chaude entourant le trou noir. L’ombre d’un trou noir n’est pas une ombre au même sens que celle que vous projetez lorsque vous marchez dehors par une journée ensoleillée. Au lieu de cela, la région sombre est créée par l’immense champ gravitationnel du trou noir, qui est si puissant que la lumière ne peut y échapper. Puisqu’aucune lumière ne sort d’un trou noir, celui-ci apparaît sombre.
De plus, cette forte gravité courbe la lumière qui passe près du trou noir sans y tomber, agissant ainsi comme une lentille. C’est ce qu’on appelle la lentille gravitationnelle et elle crée un anneau de lumière qui peut être vu quel que soit l’angle sous lequel le trou noir est vu. Ces effets ont tous deux été prédits par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Parce que l’image de M87* montre ces effets, cela constitue une preuve solide que la relativité générale et notre compréhension de la physique des trous noirs sont correctes.
Cette nouvelle image M87* a été produite grâce aux contributions clés d’une équipe d’imagerie de Caltech, dont la professeure Katherine (Katie) L. Bouman, professeure adjointe d’informatique et de sciences mathématiques, de génie électrique et d’astronomie ; ancien doctorat de Caltech. l’étudiante Nitika Yadlapalli Yurk, Ph.D. ; et actuel associé de recherche postdoctoral Caltech en informatique et en sciences mathématiques, Aviad Levis.
Bouman est coordinatrice du groupe de travail sur l’imagerie EHT et était boursière postdoctorale au Harvard Smithsonian Center for Astrophysics et co-responsable de l’équipe d’imagerie EHT lorsque l’image originale a été publiée en 2019. Dans ce rôle, elle a contribué au développement des algorithmes qui a rassemblé la mine de données collectées par les multiples radiotélescopes de l’EHT en une seule image cohérente. Depuis qu’elle a rejoint la faculté de Caltech, Bouman, qui est également boursière Rosenberg et chercheuse au Heritage Medical Research Institute, a poursuivi son travail avec l’EHT. Elle a également codirigé l’imagerie du trou noir supermassif de la Voie lactée publiée en 2022.
Yurk a rejoint la collaboration EHT en 2020 et a joué un rôle actif dans l’équipe d’imagerie pour la dernière image M87*. Ses principales contributions comprenaient le développement d’ensembles de données synthétiques à utiliser dans la formation et la validation des algorithmes d’imagerie. Yurk a également écrit un logiciel utilisé pour l’exploration des images candidates. Elle a récemment été reconnue par l’EHT pour ses efforts avec un doctorat. Prix de thèse pour les avancées qu’elle a apportées à l’imagerie et à la validation de la plus récente image M87*. Elle est actuellement boursière du programme postdoctoral de la NASA au JPL, que Caltech gère pour la NASA.
Imager un objet comme M87* avec l’EHT est très différent de l’imagerie d’une planète comme Saturne avec un télescope conventionnel. Au lieu de voir la lumière, l’EHT observe les ondes radio émises par les objets et doit combiner informatiquement les informations pour former une image.
« Les données brutes provenant de ces télescopes ne sont essentiellement que des valeurs de tension », explique Yurk. « J’aime décrire les radiotélescopes comme les voltmètres les plus sensibles au monde, et ils collectent avec une grande précision les tensions provenant de différentes parties du ciel. »
Transformer ces valeurs de tension en image est délicat, dit Bouman, car les informations avec lesquelles les chercheurs travaillent sont incomplètes et il n’y a rien à quoi comparer l’image puisque personne n’a vu M87* de ses propres yeux.
« Nous ne voulons pas ignorer nos attentes quant à l’apparence du trou noir lorsque nous formons l’image par ordinateur », explique Bouman. « Sinon, cela pourrait nous conduire à une image à laquelle nous nous attendons plutôt qu’à une image qui capture la réalité. »
Pour éviter ce problème, les chercheurs testent leurs algorithmes de traitement d’images avec ce que l’on appelle des données synthétiques, une suite d’images simulées avec des formes géométriques simples. Ces données sont traitées par des algorithmes pour produire une image. Si l’image de sortie est fidèle à l’image d’entrée, ils savent que l’algorithme fonctionne correctement et seraient capables de voir avec précision des structures surprenantes autour du trou noir.
Bouman dit que ce processus, codirigé par Yurk, impliquait l’exploration de centaines de milliers de paramètres pour évaluer l’efficacité des algorithmes dans la reconstruction de différentes structures d’images. L’équipe a constaté qu’avec l’ajout du télescope du Groenland à l’EHT, les méthodes récupéraient de manière plus robuste les caractéristiques des images.
Le processus a produit une image de M87* qui n’est que légèrement différente de la première. La différence la plus évidente est que la partie la plus brillante de l’anneau lumineux entourant M87* s’est décalée d’environ 30 degrés dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Selon l’EHT, ce mouvement est probablement le résultat d’un flux turbulent de matière autour d’un trou noir. Il est important de noter que l’anneau est resté de la même taille, ce qui était également prédit par la relativité générale.
Bouman ajoute que la capacité de l’équipe à produire une autre image de M87* avec de nouvelles données si étroitement liées à l’image précédente est passionnante.
« Je pense que les gens vont demander : ‘Pourquoi est-ce important ? Vous avez déjà montré une photo de M87*.’ D’autres groupes ont reproduit l’image M87* avec des données prises en 2017. Mais c’est une tout autre chose d’avoir un nouvel ensemble de données pris une année différente et d’arriver aux mêmes conclusions. La reproductibilité avec des données indépendantes est également un gros problème. «