Au bord du gouffre: le trou noir géant de M87 donne de ses nouvelles
Image fournie par l’ESO le 24 mars 2021, montrant le trou noir supermassif au sein de la galaxie M87 en lumière polarisée, produite par la collaboration internationale EHT ( European Southern Observatory / Handout )
Une carte postale venue de loin… Les astronomes qui avaient révélé le premier trou noir, aux yeux du monde, ont réussi à capturer l’image du champ magnétique tourbillonnant près de son bord, une étape cruciale pour comprendre ces mystérieux monstres cosmiques.
Le 10 avril 2019, le gigantesque trou noir logé au coeur de la galaxie Messier 87 (M87), située à 55 millions d’années-lumière, se montrait à nous, sous l’aspect d’un rond sombre au milieu d’un halo flamboyant.
L’image historique, produite par la collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHT) reliant huit télescopes à travers le monde, était la preuve la plus directe jamais obtenue de l’existence des trous noirs, des objets si massifs et si compacts que rien se s’en échappe, pas même la lumière.
Deux ans plus tard, après examen approfondi des données récoltées en 2017, les scientifiques de l’EHT en savent davantage sur la mécanique de la bête, qui fait plusieurs milliards de fois la masse du Soleil. Leurs travaux sont publiés mercredi dans The Astrophysical Journal Letters.
On y découvre une nouvelle image de l’objet en lumière polarisée, comme si elle passait à travers un filtre aidant à isoler une partie du rayonnement lumineux.
Photo fournie par l’ESO en octobre 2020 du télescope ALMA, relié au réseau EHT, dans le désert de l’Atacama au Chili ( ESO / Ariel MARINKOVIC )
« La polarisation de la lumière contient des informations qui nous permettent de mieux comprendre la physique derrière l’image vue en avril 2019, ce qui n’était pas possible auparavant. C’est une étape majeure », a souligné Ivan Marti-Vidal, coordinateur d’un des groupes de travail de l’EHT et chercheur à l’Université de Valence (Espagne).
« On observe pour de vrai ce que les modèles théoriques prédisaient, c’est incroyablement satisfaisant ! », s’est félicité auprès de l’AFP Frédéric Gueth, directeur adjoint de l’Institut de radioastronomie millimétrique (Iram), dont le télescope de 30 mètres dans la Sierra Nevada espagnole fait partie du réseau EHT.
La polarisation a mis en évidence la structure du champ magnétique, situé au bord du trou noir, et a permis de produire une image précise de sa forme, semblable à un tourbillon de filaments.
Ce champ magnétique extrêmement puissant – bien plus que celui entourant la Terre – vient opposer une résistance à la force de gravitation du trou noir: « une sorte d’équilibre se produit entre les deux forces, comme un combat, même si c’est au final la gravité qui gagne », explique l’astronome.
« Le champ magnétique au bord du trou noir est suffisamment puissant pour repousser le gaz chaud et l’aider à résister à la force de gravité », détaille Jason Dexter, de l’Université du Colorado à Boulder aux Etats-Unis.
– Puissants jets lumineux –
Nulle matière ne sort d’un trou noir une fois avalée (« accrétée »). Mais l’ogre cosmique, aussi puissant soit-il, ne gobe pas « 100% de tout ce qui se trouve dans son environnement: une partie s’en échappe », développe ce chercheur au CNRS.
Cette part de la matière qui n’est pas happée – environ 10% – est éjectée, et le champ magnétique joue un rôle clé dans ce mécanisme. « La matière va suivre une trajectoire le long des lignes du champ », poursuit Frédéric Gueth.
Image fournie par la Nasa en 2000 d’un jet énergétique projeté depuis le centre de la galaxie M87 ( NASA / NASA )
La force magnétique permettrait non seulement d’extraire de la matière, mais aussi d’éjecter à des vitesses immenses de puissants jets lumineux s’étendant sur au moins 5.000 années-lumière, au-delà de la galaxie elle-même.
Ces jets énergétiques provenant du noyau de M87 « sont l’un des phénomènes les plus mystérieux de cette galaxie », selon l’ESO (Observatoire européen austral).
L’interaction de forces mise à jour par l’EHT serait à l’oeuvre dans tous les trous noirs, des plus petits aux supermassifs tapis au centre de la plupart des galaxies, dont la Voie Lactée.
Aucune information ne sortant des trous noirs, on ne pourra jamais les observer directement. « Ce qui se passe à l’intérieur restera un mystère. L’enjeu est donc de comprendre au maximum ce qui se passe autour, parce que c’est forcément lié », conclut le chercheur.
La séance annuelle d’observation simultanée du réseau EHT, tombée à l’eau au printemps dernier en raison de la pandémie de Covid-19, devrait reprendre fin avril. L’ajout de nouveaux télescopes, dont l’observatoire NOEMA de l’Iram, dans les Hautes-Alpes, va permettre d’améliorer encore la précisions des images obtenues.
**************************************
Les champs magnétiques entourant le trou noir M87* révélés en image par l’EHT
Après avoir livré en 2019 la toute première image d’un trou noir, la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT) en révèle une nouvelle en lumière polarisée. C’est la toute première constituant une signature des champs magnétiques à si grande proximité d’un trou noir supermassif, en l’occurrence M87*. Voilà de quoi mieux comprendre la physique des quasars.
Il y a presque deux ans, le 10 avril 2019, les membres de la collaboration EHT rendaient publique la toute première image d’un trou noir, révélant l’existence d’une structure annulaire brillante en périphérie d’une région centrale sombre que tout indiquait être l’ombre de l’horizon des événements d’un trou noir supermassif. Cet astre, au moins incontestablement compact, se trouve au cœur de la grande galaxie elliptique M87 à laquelle les radiotélescopes ont associé une source radio désignant désormais le trou noir : M87*. Futura a consacré plusieurs articles à cette découverte, dont le précédent ci-dessous. Elle venait confirmer les travaux de pionnier de Jean-Pierre Luminet et ses collègues sur l’aspect visible des trous noirs, lorsqu’ils sont entourés d’un disque d’accrétion.
Les images de l’EHT font de M87* un laboratoire naturel pour tester de la nouvelle physique en complément de l’étude des ondes gravitationnelles. On peut espérer qu’elles vont aider à percer certains des mystères de l’écume de l’espace-temps, pour reprendre le titre du récent ouvrage que Jean-Pierre Luminet a consacré à ce sujet.
Visioconférence donnée le 12 mars 2021 pour les étudiants et chercheurs du Département de physique de l’Université d’Aix-Marseille, organisée par le Centre de physique théorique. © Jean-Pierre Luminet
La collaboration EHT rassemble plus de 300 chercheurs issus de tous les continents. Certains d’entre eux sont mentionnés dans le tout dernier communiqué de l’ESO, qu’accompagnent trois articles distincts au sein de The AstrophysicalJournal Letters.
Ils expliquent une nouvelle découverte que les analyses des données collectées avant 2019 par un ensemble d’instruments répartis sur toute la planète, et fonctionnant comme un radiotélescope géant d’une taille comparable à celle de la Terre, ont permise.
Virtuel, cet œil de la noosphère est tout de même doté en conséquence du pouvoir de résolution angulaire le plus élevé à ce jour en astronomie, ce qui lui permet de révéler des détails inédits d’un astre pourtant situé à environ 55 millions d’années-lumière de la Voie lactée.
Pour s’en faire une idée, il suffit de savoir que s’il s’agissait d’un télescope opérant dans le visible, l’EHT permettrait de mesurer la taille d’une carte de crédit à la surface de la Lune. Il est constitué de huit radiotélescopes parmi lesquels figurent l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) et l’Atacama Pathfinder Experiment (Apex), opérant tous deux sous le contrôle de l’ESO depuis le nord du Chili.
Une présentation de la polarisation des ondes lumineuses. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ehtelescope
La lumière polarisée, une clé de l’astrophysique
Comment résumer en quelques lignes la découverte de l’EHT aujourd’hui annoncée ? Probablement avec les commentaires dans le communiqué de l’ESO de Monika Mościbrodzka, coordinatrice du Groupe de travail sur la polarimétrie de l’EHT et Professeure adjointe à l’Université Radboud aux Pays-Bas : « Nous sommes en train d’acquérir l’indispensable élément de compréhension du comportement des champs magnétiques autour des trous noirs, et de l’impact, sur cette région extrêmement compacte, de toute cette activité sur la génération de puissants jets qui s’étendent bien au-delà de la galaxie. »
Qu’est-ce à dire ? Pour le comprendre, il faut savoir qu’une onde lumineuse peut se décrire comme un champ électrique qui est sous la forme d’une flèche perpendiculaire à la direction de propagation du rayon lumineux associé à cette onde et qui peut osciller comme un poids au bout d’un ressort. On parle alors de polarisation linéaire de la lumière quand la direction de la flèche reste selon une même droite le long de la propagation de l’onde. Une lumière non polarisée serait décrite par une flèche dont la direction, bien que toujours perpendiculaire au rayon lumineux, varie chaotiquement. Lorsque la flèche oscille tout en tournant régulièrement avec son extrémité sur un cercle, on parle de polarisation circulaire.
La lumière émise par un corps chauffé, comme le Soleil, n’est pas polarisée. Mais, en présence d’un champ magnétique ou plus généralement en interagissant avec certains matériaux, par exemple en se réfléchissant sur du verre ou en traversant une roche tel le spath d’Islande, elle le devient. Du coup, mesurer la polarisation d’une onde lumineuse peut apporter de précieux renseignements sur l’état du champ magnétique d’un astre, comme justement le Soleil, ou la structure et les propriétés de la matière traversée.
Les trous noirs sont enveloppés de plasma. Ce plasma contient des champs magnétiques qui affectent la façon dont la matière se déplace. Au fur et à mesure que le champ magnétique devient plus fort, il change de forme et avec lui la lumière polarisée que nous mesurons, comme l’explique cette animation. Aujourd’hui, nous révélons une découverte révolutionnaire : les ondes lumineuses polarisées que nous observons indiquent que le trou noir M87* possède de forts champs magnétiques. Ces champs magnétiques exercent une puissante influence sur la façon dont les objets gravitent autour du trou noir et sur la formation de ses jets, qui est l’un des plus grands mystères de l’astrophysique moderne. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ehtelescope
Les trous noirs, des moteurs et générateurs magnétiques
Dans le cas d’un trou noir comme M87*, nous savons qu’il possède un disque d’accrétion ainsi que des jets de particules dont l’un est même repérable dans le visible, s’étendant sur plus de 5.000 années-lumière. M87* est donc à l’origine de ce que l’on appelle un noyau actif de galaxie dont les exemples les plus spectaculaires sont les quasars. Ces objets libèrent des quantités d’énergie lumineuse fabuleuses dont ne peuvent rendre compte de simples réactions thermonucléaires, comme dans le cas des étoiles.
On peut rendre expliquer ces émissions d’énergie colossales et l’existence de jets de particules accélérées à une fraction notable de la vitesse de la lumière en utilisant des modèles fortement inspirés de celui proposé en 1977 par les astrophysiciens Roger Blandford et Roman Znajek.
Pour cela, il faut considérer un trou noir en rotation, donc décrit par la fameuse métrique de Kerr, entouré d’un disque d’accrétion chauffé par des forces de frottements visqueux au point que la matière y devient ionisée. Il apparaît alors des courants électriques et des champs magnétiques dont la description relève des équations de la magnétohydrodynamique relativiste en espace-temps courbe. Avec un trou noir de Kerr, l’énergie d’accrétion et l’énergie de rotation du trou noir se combinent pour que l’ensemble disque d’accrétion et trou noir se comporte comme une sorte de générateur et d’accélérateur de particules électromagnétiques.
Tout n’est cependant pas parfaitement compris dans ces processus complexes. Mais un excellent moyen de progresser dans l’élucidation des énigmes qu’ils posent (et qui nous empêchent de bien comprendre comment les trous noirs supermassifs croissent à partir des courants froids de matière et influent à leur tour l’évolution des galaxies en libérant de l’énergie et en émettant de puissants jets de particules) est justement de cartographier les lignes de champ magnétique dans le disque d’accrétion et aux abords de son horizon des événements. C’est précisément ce que permet la mesure de la polarisation de la lumière émise par M87*.
Après avoir acquis la toute première image d’un trou noir, la collaboration de l’Event Horizon Telescope (EHT) révèle ce jour l’aspect, en lumière polarisée, de l’objet massif situé au centre de la galaxie Messier 87 (M87). C’est la toute première fois que les astronomes peuvent mesurer la polarisation, une signature des champs magnétiques, à si grande proximité du pourtour d’un trou noir. Cette vidéo en retrace la découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESO, EHT Collaboration, L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., M. Kornmesser, C. Malin (christophmalin.com) et B. Tafreshi (twanight.org)
C’est d’ailleurs ce qu’explique Iván Martí-Vidal, également coordinateur du Groupe de travail sur la polarimétrie de l’EHT et chercheur émérite du GenT à l’Université de Valence en Espagne, dans le communiqué de l’ESO : « ces travaux constituent une réelle avancée : la polarisation de la lumière est porteuse d’informations nous permettant de mieux comprendre les processus physiques à l’œuvre derrière l’image acquise en avril 2019, ce qui était impossible auparavant », et que confirme son collègue Andrew Chael, membre de la collaboration EHT, membre du Nasa Hubble au Centre Princeton dédié à la Science théorique et de la Princeton Gravity Initiative aux États-Unis : « les images polarisées nouvellement publiées sont essentielles pour comprendre la façon dont le champ magnétique aide le trou noir à se « nourrir » de la matière environnante et à émettre de puissants jets ».
Parmi les conclusions déjà atteintes : « les observations suggèrent que les champs magnétiques présents sur le pourtour du trou noir sont suffisamment puissants pour repousser le gaz de température élevée et l’aider à résister à l’attraction gravitationnelle du trou noir. Seul le gaz qui traverse le champ peut tourbillonner vers l’intérieur, jusqu’à l’horizon des événements », précise Jason Dexter, Professeur adjoint à l’Université Boulder du Colorado, États-Unis, et coordinateur du Groupe de travail sur la Théorie à l’EHT.
Le trou noir supermassif M87* « filmé » en pleine activité par l’EHT
Article de Laurent Sacco publié le 26/09/2020
Les succès remportés depuis plus de 50 ans par la théorie de la relativité générale sont un tribut au génie créateur et rebelle d’Albert Einstein. Mais ces succès reposent aussi sur des tests de plus en plus rigoureux et l’un des derniers en date concerne les images que commence à livrer l’Event Horizon Telescope concernant le trou noir supermassif M87*. On commence même à pouvoir en faire des films montrant son activité.
Einstein a souligné vigoureusement, à raison et à plusieurs reprises, que la science reposait sur une libre création de concepts et de théories et qu’il n’y avait pas de chemin déductif logique, une méthode, menant des données de l’expérience à la création d’une théorie scientifique, contrairement à ce qu’affirment certaines conceptions positivistes relevant de l’empirisme logique. En ce sens, et l’histoire des sciences le vérifie amplement, de Kepler à Schrödinger, en passant par Newton et Einstein, toutes les sources d’inspiration peuvent être bonnes à prendre et il n’est pas rare que des archétypes profonds soient à la source des plus grandes avancées scientifiques et rationnelles, lesquelles vont à leur tour résonner avec ces archétypes comme un Wolfgang Pauli le savait bien.
Jean-Pierre Luminet va bientôt sortir un nouveau livre qu’il considère comme son Magnum opus le 14 octobre aux Editions Odile Jacob : L’Écume de l’espace temps. © Jean-Pierre Luminet
Mais Einstein aurait sans aucun doute été d’accord aussi avec les déclarations de Richard Feynman décrivant sa conception et sa pratique de la physique théorique : « Le jeu auquel je joue est très intéressant. C’est de l’imagination dans une camisole de force qui est la suivante : elle doit s’accorder avec les lois connues de la physique (…) Cela demande de l’imagination pour penser à ce qui est possible, puis il faut une analyse en arrière pour voir si cela convient, si c’est autorisé selon ce qui est connu, d’accord ? » Il y a en effet une logique de la découverte scientifique reposant sur des méthodes qui peuvent certes être révisées et soumises à la discussion rationnelle critique, comme l’avait bien compris Karl Popper, mais dont on ne peut faire l’impasse.
L’Event Horizon Telescope, un outil pour tester la théorie des trous noirs
La théorie de la relativité générale, avec ses modèles cosmologiques et sa théorie des trous noirs, est sans aucun doute un bon exemple de ces considérations qui touchent aussi bien à l’épistémologie qu’à la philosophie grecque et aux arts, tant il est vrai que les concepts d’un espace-temps plastique et de trou noir fascinent l’esprit humain. Ces derniers ont nécessité pour être explorés, et surtout testés, tout l’arsenal de la technologie et des méthodes de traitements des donnée de la science moderne, du laser au Deep learning.
On se souvient que des arguments de poids ont été apportés à l’existence des trous noirs et à l’exactitude de la théorie les décrivant avec les observations de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) qui a révélé en 2019 la première image de ce qui semble bien être un trou noir supermassif dans la galaxie M87. Cette image, qui montre en quelque sorte l’ombre de l’horizon des événements du trou noir M87* par contraste avec son disque d’accrétion et ce que l’on appelle sa sphère de photon, a été obtenue au cours des dernières années en combinant des observations faites par des radiotélescopes de par le monde. C’est la fameuse technique de synthèse d’ouverture par interférométrie qui permet de créer un radiotélescope virtuel de la taille de la Terre ou presque à partir de radiotélescopes beaucoup plus petits répartis sur les continents.
L’observation s’est montrée tout à fait conforme aux simulations numérique de pionnier qu’avait fait Jean-Pierre Luminet à la fin des années 1970 pour montrer ce à quoi les observateurs pouvaient s’attendre à voir en cherchant à visualiser un trou noir et son environnement avec un disque d’accrétion.
Une présentation des travaux de la collaboration EHT lorsqu’elle a révélé la première image de M87* en 2019. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Perimeter Institute for Theoretical Physics
Les vacillations du disque d’accrétion d’un trou noir sous la caméra de l’EHT
Via un article publié dans The Astrophysical Journal, les membres de l’EHT font savoir aujourd’hui qu’ils sont allés un cran plus loin en obtenant plusieurs images étalées sur quelques années et qui permettent de faire un début de film de l’activité d’un trou noir avec son plasma turbulent.
Le contenu de cet article est commenté en ces termes dans un communiqué de la collaboration EHT par son principal rédacteur, Maciek Wielgus, astronome au Centre d’astrophysique Harvard & Smithsonian et auteur principal de l’article : « L’année dernière, nous avons vu une image de l’ombre d’un trou noir, consistant en un croissant lumineux formé par un plasma chaud tourbillonnant autour de M87 *, et une partie centrale sombre, où nous nous attendons à ce que l’horizon des événements du trou noir soit.
Mais ces résultats étaient basés uniquement sur des observations effectuées tout au long d’une fenêtre d’une semaine en avril 2017, ce qui est bien trop court pour voir beaucoup de changements. Sur la base des résultats de l’année dernière, nous avons posé les questions suivantes : cette morphologie en forme de croissant est-elle cohérente avec les données d’archives ? Les données d’archives indiqueraient-elles une taille et une orientation similaires du croissant ? »
En effet, de 2009 à 2013, M87 * a été observé par des prototypes de l’EHT avec des radiotélescopes situés sur trois sites géographiques en 2009-2012 et quatre sites en 2013. En 2017, l’EHT a finalement utilisé des instruments situés sur cinq sites géographiques distincts à travers le monde.
« Avec l’incroyable résolution angulaire de l’EHT, nous aurions pu observer une partie de billard se jouer sur la Lune sans perdre de vue le score ! » rappelle Maciek Wielgu. Lui et ses collègues ont bénéficié de l’expérience acquise pour développer des outils permettant d’extraire des informations des observations datant d’avant 2017.
tribune marxiste-léniniste 