Le trou noir supermassif M87* se dévoile dans de nouvelles images

Au cœur d'une galaxie gargantuesque, à 55 millions d'années-lumière de la Terre, un trou noir d'une masse équivalente à 6,5 milliards de soleils expulse une fontaine de matière à travers le cosmos à une vitesse proche de celle de la lumière. Grâce au réseau Event Horizon Telescope (EHT), les scientifiques ont pu exploiter les ondes radio pour dresser le portrait-robot de ce trou noir, nous offrant en 2019 le tout premier aperçu de l'environnement extrême qui l'entoure. 

Deux ans plus tard, l'équipe internationale à l'origine de cette image révolutionnaire et ses divers partenaires publient les résultats d'une campagne d'observation menée en 2017 qui avait simultanément examiné la galaxie hôte de ce trou noir, Messier 87, sous différentes longueurs d'ondes.

Publié dans la revue The Astrophysical Journal, le rapport s'appuie sur les données de 19 observatoires terrestres et spatiaux compilées par plus de 750 scientifiques. Il présente de façon plus complète le trou noir supermassif et son jet colossal, l'occasion idéale pour les scientifiques de s'intéresser à la façon dont les champs magnétiques, les particules, la gravité et les radiations interagissent dans le voisinage d'un trou noir supermassif à différentes échelles.

« C'est un peu le fourre-tout de la physique, non ? On y trouve de tout, » plaisante Daryl Haggard de l'université McGill, qui a aidé à la coordination des observations multi-longueurs d'ondes. « On commence vraiment à distinguer des orbites, on voit ce qu'il y a juste à côté du trou noir, on explore cet environnement exotique. »

« Je pense que c'est l'un des articles qui relie concrètement l'EHT au reste de la communauté scientifique ; c'est un avant-goût de ce à quoi se destine réellement la structure, » ajoute Sera Markoff, membre de l'équipe rattachée à l'université d'Amsterdam. « J'ai l'impression que c'est un nouveau point de départ. »

Actuellement, l'équipe de l'EHT est au beau milieu d'une session d'observation de douze jours, la première depuis 2018 en raison de problèmes techniques et de la pandémie. Cette fois, les chercheurs peuvent compter sur l'appui de trois nouveaux télescopes venus s'ajouter au cortège d'observatoires, notamment une installation au Groenland, et se remettre à scanner le ciel à des longueurs d'ondes couvrant l'ensemble du spectre électromagnétique, du moment que la météo coopère. 

« Il faut une très bonne météo sur tous les sites, » indique Monika Moscibrodzka de l'université Radboud. « Et plus il y a de sites, plus la probabilité que le temps soit clément sur chacun d'entre eux diminue. »

CRULLER COSMIQUE

Les trous noirs comptent parmi les phénomènes astronomiques les plus fascinants et intrigants depuis plus d'un siècle, ils captivent nos imaginaires avec leur physique de l'extrême. Cela dit, l'arrivée sur le devant de la scène de ces gouffres cosmiques reste plutôt récente, notamment grâce à l'image de l'EHT, à différentes études récompensées par un prix Nobel sur des objets voyageant autour du trou noir supermassif qui occupe le cœur de la Voie lactée, ainsi qu'à la montagne d'informations recueillies en observant la collision de trous noirs.

« Ces dernières années, les trous noirs sont passés de la science-fiction à la réalité, » résume Marta Volonteri de l'Institut d’Astrophysique de Paris.

L'Event Horizon Telescope se compose en fait d'une multitude de radiotélescopes disséminés sur la planète, du Groenland au pôle Sud, qui agissent ensemble comme un gigantesque observatoire de la taille de la Terre. Pour produire ces images du trou noir supermassif de M87, il faut une quantité astronomique de données, si bien que les chercheurs sont dans l'incapacité de les transférer numériquement et doivent se résoudre à envoyer des disques durs par courrier. 

Lors de la publication de la première image en avril 2019, les scientifiques étaient stupéfaits, car l'objet ressemblait quasi parfaitement aux prévisions d'une théorie établie un siècle plus tôt.

L'image de M87 offrait une chance de tester la théorie de la relativité générale élaborée par Albert Einstein en 1915, d'après laquelle ce que nous percevons comme la gravité émerge de la courbure de l'espace-temps sous l'effet de la matière. L'environnement qui entoure le cœur de M87 est intense, un chaudron tourmenté par la gravité extrême, les champs magnétiques et les particules, ce qui en fait un endroit idéal pour tester la théorie de la relativité générale.

« Tout le monde essaie en permanence de briser ces théories, car le fait de trouver une brèche nous en apprend beaucoup, » déclare Haggard. « Nous adorons casser les modèles. Mais nous n'avons pas encore réussi à casser la relativité générale. »

Alors que la théorie de la relativité générale s'étendait à M87, l'image de l'EHT se répandait comme une traînée de poudre dans la culture populaire. Plusieurs strips de la bande dessinée axée sur la science XKCD mettent en scène l'équipe de chercheurs, l'un d'entre eux superpose notre système solaire à l'image du trou noir pour donner une idée de sa taille. L'image a également été comparée à l'œil de Sauron dans Le Seigneur des Anneaux. Mais le débat le plus animé est venu de sa ressemblance avec les classiques du petit-déjeuner outre-Atlantique.

« Ce serait plutôt un bagel ou un donut ? » interroge Volonteri.

Une mise à jour de l'image initiale, assemblée par Moscibrodzka et ses collègues, a réglé la question le mois dernier : le trou noir ressemble à un cruller, un donut strié. Dans cette nouvelle image, les signatures du champ magnétique du trou noir ont été superposées à l'anneau de lumière original, laissant apparaître un motif régulier qui s'enroule autour du corps massif de l'objet. Moscibrodzka et ses collègues ont étudié des particules chargées qui suivent les lignes de champ magnétique pour obtenir un aperçu plus détaillé des conditions physiques extrêmes en bordure du trou noir.

DESSINE-MOI UN TROU NOIR

À présent, comme indiqué dans la nouvelle étude, les observations multilongueurs d'onde apportent une touche de couleur supplémentaire à cette image savoureuse.

Les scientifiques espèrent que ces observations combinées permettront d'en savoir plus sur les propriétés physiques qui alimentent le puissant jet de particules émis par le centre de M87. Ce jet s'étend sur plusieurs milliers d'années-lumière à travers la galaxie et proviendrait du méli-mélo de plasma surchauffé, de champs magnétiques distordus et d'une variété d'autres matières évoluant autour du trou noir.

Aux yeux des chercheurs, ce type de jets pourrait être à l'origine d'une population de particules cosmiques hautement chargées capables d'atteindre notre voisinage, où elles prennent le nom de rayonnement cosmique. Bien que le Soleil génère une bulle protectrice autour de la majorité du système solaire, il arrive que des particules réussissent à s'y introduire et lorsque certaines d'entre elles se heurtent à l'atmosphère de la Terre, leur vitesse est si impressionnante qu'il est impossible qu'elles proviennent de l'intérieur de la Voie lactée.

« L'une des principales questions auxquelles nous essayons de répondre est l'origine de ces particules hautement chargées, » indique Markoff. « Comment naissent ces jets ? Que contiennent-ils ? Et comment ce rayonnement cosmique de haute énergie qui semble provenir du jet des trous noirs est-il accéléré ? L'EHT seul ne nous permet pas de répondre à ces questions. »

Grâce aux nouvelles observations, les scientifiques vont pouvoir améliorer leur compréhension du jet qui émet de la lumière à toutes les longueurs d'ondes, des ondes radio aux rayons gamma, et vérifier s'il est bien à l'origine de cette matière projetée dans l'espace à une vitesse que les meilleurs accélérateurs de particules sur Terre ne pourraient jamais atteindre.

Par ailleurs, le fait de mieux cerner l'anatomie du jet pourrait aider la science à lever le voile sur certaines propriétés encore mystérieuses du trou noir de M87, comme la vitesse et le sens de sa rotation. Ces mesures apporteront des indices sur la formation du trou noir supermassif et sa prise de masse lors du dernier milliard d'années, à savoir si elle provient principalement de collisions avec d'autres trous noirs supermassifs ou simplement de l'engloutissement des gaz environnants.

« D'une certaine façon, la rotation offre un meilleur moyen d'étudier la prise de masse d'un trou noir que la mesure de la masse elle-même, » résume Volonteri.

HORIZON DE L'EHT

Alors que la campagne d'observation suit son cours, les scientifiques sont à nouveau amenés à pointer leurs télescopes sur M87 pour voir s'il y a eu du changement. En 2017, le trou noir était dans un état paisible et somnolent, ce qui avait permis à l'équipe d'observer directement son noyau. À présent, « nous avons vraiment hâte de voir comment M87 va évoluer sur une période plus longue, nous sommes curieux de voir ce que nous allons obtenir cette fois, » témoigne Moscibrodzka.

L'équipe de l'EHT en profite également pour jeter un œil à un autre trou noir supermassif, celui-ci plus proche de la Terre : Sagittarius A*, ou SgrA*, installé au beau milieu de la Voie lactée. Affichant quatre millions de masses solaires sur la balance, SgrA* est moins imposant que le colosse de M87, mais il est aussi bien plus près de la Terre et de l'EHT, à seulement 25 600 années-lumière.

Cela dit, notre voisin trou noir est nettement plus capricieux. Il a tendance à ponctuer ses festins sous forme d'éructations en tout genre, allant même jusqu'à exploser plusieurs fois au cours d'une seule et même soirée. Cette fluctuation d'activité est l'une des raisons pour lesquelles les chercheurs mettent plus de temps à produire une image.

« D'un point de vue observationnel, cela introduit de nombreux défis, » indique Haggard. « Comment voulez-vous créer une image stable à partir d'un sujet qui varie en permanence ? »

C'est une mission délicate, mais l'image de SgrA* ne devrait plus tarder et bientôt, avec une foule d'observations en main, nous serons plus à même de comprendre les énigmes tumultueuses que dissimule le cœur des galaxies et qui donnent naissance à certains des phénomènes les plus extrêmes de l'univers observable.

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.