La première image du trou noir au centre de notre galaxie enfin dévoilée!

Il s’appelle Sagittarius A* et il trône au centre de la Voie lactée: ce trou noir supermassif vient d’être «photographié» par les scientifiques de l’Event Horizon Telescope. Un exploit historique!

L’image peut paraître floue et banale; elle n’en est pas moins extraordinaire et magique. Car il s’agit du premier portrait de Sagittarius A* (prononcer « A étoile »), le trou noir supermassif situé au cœur de notre galaxie. Sa présence était connue grâce à de nombreux indices, mais l’image est une preuve absolue de l’existence de cet astre immensément dense, autour duquel orbitent des étoiles et du gaz.

« Nous vous présentons la plus belle image jamais obtenue de cette énigme qu’est Sagittarius A*. Pour cela, il faut voler au cœur de notre galaxie », a déclaré Huib Jan van Langevelde, directeur du projet Event Horizon Telescope (EHT) lors d’une des trois conférences de presse simultanées organisées le 12 mai entre autres par l’Observatoire Européen Austral (ESO) et la Fondation américaine nationale pour la science. Il aura fallu environ quatre ans aux 300 scientifiques de l’EHT (de 80 institutions) pour réussir à analyser leurs données prises en 2017 et voir enfin se dessiner cette image. Les scientifiques ont dû comparer leurs données avec toute une banque de simulations de trous noirs, vus sous des angles différents, en rotation ou non, pour parvenir à décrypter les signaux. Chez tous les interlocuteurs, l’émotion était palpable. « Je ressens tellement de fierté; en mettant tant d’expertises ensemble, nous ne nous sommes pas découragés et nous avons réussi », a dit Katie Bouman, astronome à Caltech, lors de la conférence américaine.

Pour rappel, un trou noir est un objet céleste dont le champ gravitationnel (la force d’attraction, en quelque sorte) est si intense que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière. Ces objets ont des masses incroyablement élevées, et des dimensions très compactes. Notez bien que les trous noirs sont invisibles en tout temps, mais ils trahissent leur présence par les disques de matière qui orbitent à toute vitesse autour d’eux. En raison de l’intense gravité, cette matière en surchauffe émet toutes sortes de rayonnements. Les « halos » orangés que l’on voit sur l’image de Sgr A*, pour les intimes, sont les ondes radio émises par ces gaz.

Cette « photo » est l’œuvre de l’Event Horizon Telescope (EHT), un réseau de huit radiotélescopes répartis sur 4 continents. En agissant de concert, par interférométrie, ils constituent un télescope au diamètre équivalent à celui de la Terre. L’image est en fait obtenue en recombinant minutieusement les signaux (en ondes millimétriques) de chaque télescope. Elle fait l’objet de la parution d’un ensemble de six articles au sein d’une édition spéciale de la revue The Astrophysical Journal Letters.

Voici donc la deuxième image jamais publiée d’un tel « monstre ». La première image d’un trou noir avait été dévoilée en 2019 par l’EHT, justement. Il s’agissait d’un trou noir supermassif situé dans une galaxie voisine de la nôtre, la galaxie M87, à 55 millions d’années-lumière de la Terre. Sagittarius A* est plus proche (27 000 années-lumière), mais 1600 fois moins massif que M87*. Sa masse : environ 4 millions de fois celle de notre Soleil. Son diamètre : 6 millions de kilomètres (15 fois la distance Terre-Lune). Il tiendrait donc au sein de l’orbite de Mercure autour du Soleil. Et il présente des spécificités qui ont rendu le défi plus ardu encore.

Pourquoi cette image est-elle un exploit technique?

• D’abord, par définition, les trous noirs n’émettent pas de lumière. Ils sont donc invisibles. Mais ils sont parfois entourés de gaz et de matière, provenant par exemple d’étoiles voisines, qui forment un disque d’accrétion, un peu comme les anneaux de Saturne. En raison de l’intense gravité, cette matière tourne très vite. Il y a beaucoup de frottements, elle est chauffée à des dizaines de millions de degrés et émet alors des rayons X et d’autres radiations électromagnétiques que les instruments peuvent capter.
• Ensuite, ils ont beau être extrêmement massifs, ces astres sont lointains et leur diamètre est petit. Même si Sagittarius A* « pèse » autant que quatre millions de Soleil, il est si dense que le voir depuis la Terre équivaut à repérer une balle de golf sur la Lune, cachée dans un nuage de poussière. Il faut, pour cela, un pouvoir de résolution 2 000 fois supérieur à celui du télescope spatial Hubble! L’EHT a permis cet exploit.
• Enfin, Sagittarius A* est particulièrement difficile à « portraitiser », car il y a énormément de poussières et de gaz ionisé entre lui et nous. La lumière qui provient du voisinage du trou noir est donc dispersée et distordue à foison sur la ligne de visée… De plus, il est instable. Sa luminosité varie grandement, et rapidement (en quelques heures voire quelques minutes seulement), à la fois à cause de la variabilité du milieu galactique et à cause de l’écosystème complexe d’étoiles et de gaz chauds qui orbitent autour de lui.

Un défi de taille

On l’a dit, il a fallu plusieurs années aux scientifiques pour réussir à « nettoyer » leurs données prises en 2017-2018 et faire émerger l’image de Sagittarius A*. C’est l’image du trou noir M87* qui avait été révélée en premier en 2019, car cette dernière était plus simple à reconstituer. Cette fois, deux principaux obstacles ont causé des maux de tête aux chercheurs de l’EHT : la variabilité de Sagittarius A* et le nuage continu de poussières et de gaz qui s’interpose entre lui et la Terre.

« Ces défis ont tenu occupés les modélisateurs pendant des années », expliquait récemment à Québec Science Richard Anantua, du département de physique et d’astronomie de l’Université du Texas à San Antonio et membre de l’EHT.

Geoffrey Bower, qui fait partie des 300 chercheurs de l’EHT, s’était lui aussi confié début 2022: « Nous pensions publier les résultats fin 2021 mais nous avons dû repousser. Nous sommes très minutieux en raison de l’importance des résultats », expliquait ce chercheur de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique de Taiwan. « Nous essayons de prendre une image de Sgr A* avec des observations obtenues en quelques heures, alors que la source évolue peut-être beaucoup plus rapidement que cela », précisait-il. La matière qui tourne autour du trou noir peut effectuer une orbite complète en aussi peu que 4 à 30 minutes, causant d’éventuels changements dans le rayonnement émis.

Daryl Haggard, astrophysicienne à l’Université McGill et membre de l’EHT, présente à la conférence de presse, étudie depuis des années la variabilité de Sagittarius A*. Elle utilise surtout les données du télescope Chandra, qui capte les rayons X. Elle rappelait il y a quelques jours à Québec Science à quel point il est difficile d’observer le centre de la Voie lactée. « C’est un peu comme lorsqu’on regarde un objet sous l’eau; la lumière est distordue, les mouvements de l’eau troublent l’image, et comme, en plus, l’objet lui-même est variable, ça devient incroyablement complexe », illustre-t-elle. La professeure de l’Institut spatial de McGill à Montréal précise que SgrA* émet aussi des sursauts énergétiques (flares) environ une fois par jour, dont les mécanismes ne sont pas élucidés. L’EHT, combiné avec d’autres télescopes (rayons X, infrarouges) peut justement aider à mieux comprendre ces soubresauts. Mais par rapport à d’autres trous noirs supermassifs, SgrA* est plutôt calme; et même plus calme que ce qu’on pensait initialement, ont précisé les astronomes.

Pourquoi est-ce important?

Les trous noirs sont des objets si massifs qu’ils courbent l’espace-temps autour d’eux, un peu comme une boule en métal posée sur un tissu ferait ployer l’étoffe sous son poids. Ils courbent aussi les rayons lumineux des astres qui gravitent près d’eux.

Observer les environs d’un trou noir supermassif est donc une approche privilégiée pour tester la théorie de la relativité générale dans des conditions extrêmes. Et voir ainsi si les équations d’Einstein tiennent bon. C’est pour l’instant le cas: l’image est en parfait accord avec la théorie, ont expliqué les experts.