Au centre de la Voie lactée se trouve une présence massive et mystérieuse qui a un impact puissant sur les étoiles qui l’entourent – et sur l’imagination des astronomes.
Les scientifiques ont maintenant la toute première photo de la force massive au centre de notre galaxie : Sagittarius A*, un trou noir supermassif avec la masse de 4 millions de soleils.
L’image révélée jeudi a été capturée par un réseau de huit observatoires radio dans six endroits à travers le monde. Ensemble, ils forment l’équivalent pratique d’un télescope de la taille de la Terre conçu pour voir certains des objets les plus mystérieux et les plus déroutants de l’univers.
Photographier un trou noir est un exploit unique car sa caractéristique principale est que rien dans son domaine gravitationnel ne peut s’échapper, y compris la lumière.
Mais les astronomes peuvent voir la limite annulaire connue sous le nom d’horizon des événements, et au-delà, l’anneau doré et mince de gaz surchauffé et de lumière courbée qui entoure le bord du point de non-retour du trou noir.
« Quoi de mieux que de voir le trou noir au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée ? », a déclaré Katie Bouman, professeur d’imagerie computationnelle au Caltech et membre de l’équipe internationale du télescope.
Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans Astrophysical Journal Letters.
Les trous noirs sont les objets les plus denses de l’univers. Lorsqu’une étoile géante explose dans une supernova finale et dramatique, son effondrement crée une minuscule goutte de matière si dense que son attraction gravitationnelle déforme le tissu de l’espace et du temps qui l’entoure.
Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que des trous noirs supermassifs se trouvent au centre de chaque galaxie, y compris la nôtre. Pourtant, malgré leur taille colossale, ils sont une présence insaisissable dans l’univers, observable uniquement par leur impact sur les objets qui les entourent.
Capturer une image d’un objet d’où aucune lumière ne peut s’échapper est le défi monumental relevé par le consortium Event Horizon Telescope en 2009. L’effort implique le travail collaboratif de plus de 300 scientifiques et ingénieurs de 80 institutions à travers le monde.
Il a fallu une décennie pour créer la première photo d’un trou noir au centre de la galaxie Messier 87, à quelque 55 millions d’années-lumière (le trou noir est également connu sous le nom de M87*). Son horizon des événements est de près de 25 milliards de miles de diamètre, avec une masse d’environ 6,5 milliards de soleils.
Bien que Sagittarius A* – ou Sgr A* en abrégé – ne soit qu’à 27 000 années-lumière de la Terre, il a moins de 0,1 % de la masse de M87*. S’il n’avait pas été idéalement situé dans notre propre galaxie, il aurait été presque impossible de le photographier. Bouman l’a comparé à se tenir à Los Angeles et à photographier un grain de sel à New York.
« C’est un trou noir plus doux et plus coopératif que nous ne l’avions espéré », a déclaré Feryal Özel, astronome de l’Université de l’Arizona et membre fondateur du consortium de télescopes. « Nous aimons notre trou noir. »
En fait, les images fournissent la preuve la plus solide à ce jour pour la théorie générale de la relativité d’Einstein. À Sgr A* en particulier, la taille et la forme de l’anneau autour de l’horizon des événements sont remarquablement cohérentes avec ce que les scientifiques ont prédit sur la base de la théorie d’Einstein.
« Ils sont si différents à bien des égards, et pourtant la même théorie de la gravité explique en fait la forme des deux images », a déclaré Bouman. « Et c’est un excellent résultat. C’est en fait très excitant qu’ils se ressemblent beaucoup. »
Le trou noir supermassif de gauche est au centre de la galaxie Messier 87. Celui de droite est au centre de notre Voie lactée.
(Collaboration EHT)
Un modèle de classe populaire d’un trou noir offre un moyen utile de visualiser ce phénomène cosmique. Considérez le tissu de l’espace-temps comme une feuille de plastique serrée et la Terre comme une balle de tennis tombant en son milieu. La balle crée une légère courbure dans le film, tout comme notre planète relativement humble crée l’espace-temps.
Cependant, une bille d’acier plie le foil beaucoup plus loin. Si la balle est assez lourde, la feuille s’affaissera tellement que tous les autres objets rouleront inévitablement sur le plus lourd. C’est ce que font les trous noirs avec le temps et l’espace.
« Les trous noirs ne sont pas les gros aspirateurs cosmiques qu’Hollywood aime faire croire », a déclaré Bouman.
Le Sgr A*, plus petit et moins efficace, est probablement un meilleur représentant du trou noir typique de l’Univers que le M87* ultramassif, a déclaré Bouman.
L’astronome de l’UCLA, Andrea Ghez, a reçu le prix Nobel 2020 pour la découverte de Sgr A*. L’image produite par l’EHT était « remarquablement similaire » au trou noir supermassif qu’elle et ses collègues soupçonnaient d’être au centre de cette galaxie.
« Il y a une prédiction que vous devriez voir cette concentration de lumière autour du trou noir, juste à l’extérieur de l’horizon des événements, et que vous pouvez réellement voir que c’est remarquable », a déclaré Ghez. « C’est vraiment excitant. »
Pour photographier un trou noir avec un seul télescope, il aurait fallu un objectif de 13 millions de mètres de large, c’est-à-dire un télescope de la taille de la Terre.
Le télescope du pôle Sud de la station du pôle Sud Amundsen-Scott de la National Science Foundation en Antarctique est l’emplacement le plus extrême des huit télescopes du Event Horizon Telescope Array.
(Junhan Kim / Université de l’Arizona)
Au lieu de cette impossibilité logistique, le télescope Event Horizon collecte des données sur huit observatoires radio au Groenland, en Antarctique et dans six autres endroits intermédiaires, synchronisés avec des horloges atomiques. Pendant que la Terre tourne, les observatoires voient leur cible sous différents angles.
Le cliché glamour de Sgr A* a été distillé à partir de 5 pétaoctets de données, soit l’équivalent de 100 millions de TikToks, a déclaré Vincent Fish, membre de l’EHT du MIT Haystack Observatory. L’image publiée est une moyenne de plusieurs images extraites de ces données.
La collaboration EHT a créé un flot d’images possibles du Sagittaire A*, puis en a fait la moyenne pour créer une seule image.
(Ben Prather / Groupe de travail Théorie EHT / Chi-Kwan Chan)
Il y a à peine deux décennies, « j’aurais pensé que nous ne verrions jamais des images comme celle-ci. Ce serait trop difficile », a déclaré Daniel Stern, un astrophysicien qui étudie les trous noirs au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à La Cañada Flintridge.
« Ça avait l’air mieux que ce à quoi je m’attendais », a-t-il déclaré. « Cela est cohérent avec les théories vieilles de plusieurs décennies sur la façon dont nous imaginions les trous noirs. »
Parce que ce trou noir est tellement plus petit, l’anneau qui l’entoure semble beaucoup plus occupé. Les gaz qui mettent des semaines à orbiter autour de M87* peuvent orbiter autour de Sgr A* en quelques minutes seulement. Compte tenu des changements rapides des émissions, il est possible que le télescope soit capable de capturer des images en mouvement de l’activité autour de l’horizon des événements pour les années à venir, a déclaré Bouman, potentiellement dans plusieurs dimensions.
« Et si nous pouvions réellement cartographier où se trouve le gaz en trois dimensions autour du trou noir au fil du temps? », A déclaré Buman. « C’est une chose que j’attends vraiment avec impatience. »
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