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mercredi 10 avril 2019

La première photo d’un trou noir publiée par un consortium scientifique international : L’image montre le trou noir supermassif de M87, une galaxie elliptique géante située à 53 millions d’années-lumière de la Terre, par Pierre Barthélémy | Le Monde 10 avril 2019



La première photo d’un trou noir publiée par un consortium scientifique international L’image montre le trou noir supermassif de M87, une galaxie elliptique géante située à 53 millions d’années-lumière de la Terre.

Le trou noir pris en photo est le trou noir central de la galaxie géante M87. 

Mercredi 10 avril à 15 h 07 (heure de Paris), la planète des curieux d’astronomie a momentanément cessé de tourner. Professionnels ou amateurs, tous ont dirigé leur regard, qui vers Bruxelles, qui vers Washington, qui vers Tokyo, qui vers Shanghaï, qui vers Taipei, qui vers Santiago. Six grandes villes éparpillées sur le globe, six conférences de presse simultanées pour présenter une image historique : la première photographie d’un trou noir. Un disque orangé, plus brillant d’un côté que de l’autre, avec en son centre un cabochon de jais. Cette tache de ténèbres, c’est la silhouette du trou noir supermassif de M87, une galaxie elliptique géante située à 53 millions d’années-lumière de nous, dans la constellation de la Vierge. 

Comme rien, pas même la lumière, ne sort d’un trou noir, « on ne peut par définition pas l’observer », rappelle Frédéric Gueth, directeur adjoint de l’Institut de radioastronomie millimétrique. Avec son radiotélescope de 30 mètres de diamètre juché à 2 850 mètres d’altitude sur le Pico Veleta, dans la Sierra Nevada andalouse, cet organisme de recherche fondé il y a quarante ans par le CNRS français, la Max-Planck-Gesellschaft allemande et l’Instituto Geográfico Nacional espagnol, a participé à la collecte des données nécessaires pour confectionner l’image de l’ogre tapi au cœur de M87. Si la silhouette de ce trou noir apparaît sur cette photo, c’est, ajoute Frédéric Gueth, « par contraste sur le fond brillant que constitue le disque d’accrétion surchauffé qui tourne autour de lui ». Un peu comme le héros d’un théâtre d’ombres chinoises.

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Ceux qui ont admiré la splendide reconstitution, en images de synthèse, d’un trou noir dans le film Interstellar (2014) de Christopher Nolan seront peut-être déçus par le caractère assez peu spectaculaire de la photo dévoilée mercredi. Sans doute ne mesurent-ils pas l’incroyable prouesse technique qu’elle représente. Derrière elle, il y a le travail, sur plusieurs années, d’un consortium international de chercheurs baptisé Event Horizon Telescope – EHT, Télescope de l’horizon des événements, du nom de cette frontière invisible au-delà de laquelle on ne peut plus échapper à l’attraction du trou noir.

6,4 milliards de fois la masse du Soleil 

Pour prendre conscience de la difficulté de la tâche, il faut garder à l’esprit que même un monstre comme le trou noir supermassif de M87, qui équivaut à 6,4 milliards de fois la masse du Soleil, n’occupe qu’une portion réduite de sa galaxie, laquelle n’est elle-même qu’un minuscule pâté blanchâtre dans un tout petit coin de ciel. Par conséquent, aucun instrument astronomique n’a – et de très loin – la résolution nécessaire pour le distinguer. Il faudrait pour cela une machine capable de voir une pomme sur la Lune ou bien, pour reprendre une autre image mise en avant par l’EHT, un instrument permettant à un New-Yorkais assis dans Central Park de lire le journal d’un Parisien attablé à un bistrot de Montmartre (en imaginant que la rotondité de la Terre ne fasse pas obstacle à l’expérience).

Aucune antenne de radiotélescope n’est assez grande pour y parvenir ? « Unissons nos forces », ont rétorqué les astronomes, pour un tour de magie scientifique appelé « interférométrie à très longue base ». Derrière cette expression absconse se cache un magnifique concept : en combinant les signaux reçus simultanément par plusieurs instruments situés dans différentes régions du monde, on peut créer une antenne virtuelle gigantesque dont le diamètre équivaut à la distance entre les deux observatoires les plus éloignés. Pour fabriquer l’image du trou noir de M87, sept radiotélescopes, en plus de celui du Pico Veleta, se sont associés, du pôle Sud aux Etats-Unis, en passant par le Chili et le Mexique.

Il faut tenir compte de la dérive des continents mais aussi du fait que la station, au pôle Sud, repose sur la calotte glaciaire 

Pour que cette antenne géante de 9 000 kilomètres de diamètre fonctionne, encore faut-il une météo correcte sur tous les sites, des détecteurs en parfait état de marche, des instruments parfaitement synchronisés – chaque observatoire dispose pour cela d’une horloge atomique –, mais aussi connaître la distance entre chaque site avec une précision diabolique, de l’ordre du millimètre ! Il faut donc tenir compte de la dérive des continents mais aussi du fait que la station située au pôle Sud est posée sur la calotte glaciaire, laquelle glisse sur le socle rocheux de l’Antarctique…

Difficiles opérations de corrélation 

Toutes les conditions ont été réunies pendant quatre jours il y a deux ans, en avril 2017. Plusieurs millions de gigaoctets de données ont été enregistrés sur des disques durs. Il a ensuite fallu attendre que ces supports soient transportés dans les centres de calcul de l’EHT, ce qui, pour le cas de l’instrument placé au pôle Sud, a pris plus de six mois, hiver polaire oblige… Responsable des opérations de corrélation au Max-Planck Institute à Bonn, Helge Rottmann se souvient de ce moment particulier : « Nous attendions désespérément les données du pôle Sud. C’était le 23 décembre 2017. J’étais supposé partir en congé et c’est alors qu’on a reçu les boîtes… » Même s’il a dû reporter son départ en vacances pour s’occuper des données, le chercheur sourit en disant que « c’était un beau cadeau de Noël ».

La galaxie M87 vue par le télescope spatial Hubble
Les opérations de corrélation, elles, ne sont pas un cadeau. Il faut calibrer les données, les corriger, les nettoyer, les synchroniser. Le corrélateur, un superordinateur, mouline pendant plusieurs jours. Le signal enregistré par chaque observatoire est en effet très faible et enfoui dans le bruit. Mais quand tous ces signaux sont combinés, ils s’amplifient et un pic surgit tout à coup du bruit. Pour réaliser l’image finale, les informations ainsi extraites ont été confiées à « quatre équipes différentes qui avaient interdiction de se parler », pour ne pas s’influencer, explique Frédéric Gueth. Puis trois méthodes d’imagerie différentes ont été utilisées avant d’aboutir, fin 2018, à cette photo qui fera date.

« Avoir l’image d’un trou noir, c’est l’oxymore absolu, c’est l’invisible qui est rendu visible… », Jean-Pierre Luminet, chercheur 

Celle-ci donne lieu à six articles publiés dans The Astrophysical Journal Letters. Premier enseignement, Albert Einstein peut reposer tranquille : l’image colle impeccablement avec les simulations tirées des équations de la relativité générale. Deuxième leçon : en plus de l’ingéniosité et de la patience, il faut aussi avoir de la chance en science. La première série d’observations, celle de 2017, a livré l’image alors que celle de 2018 n’a rien donné et que la session de 2019 a purement et simplement été annulée en raison de problèmes sur certains détecteurs. Il n’a pas non plus été possible de prendre la photo de Sagittarius A*, le trou noir central de notre galaxie, la Voie lactée. Ce sera peut-être chose faite en 2020.

Trous noirs : un ogre dans la Voie lactée

La troisième et dernière leçon, c’est Jean-Pierre Luminet, directeur de recherches CNRS au Laboratoire d’astrophysique de Marseille, et auteur en 1978 de la première visualisation numérique d’un trou noir, qui la tire : « Jusqu’ici, on avait des signatures indirectes des trous noirs, notamment avec les ondes gravitationnelles. Là, c’est une preuve définitive de leur existence, pour tous ceux qui en doutaient encore. Et puis, avoir l’image d’un trou noir, c’est l’oxymore absolu, c’est l’invisible qui est rendu visible. » 

Pierre Barthélémy

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