Event Horizon Telescope : faisons connaissance avec les trous noirs Sagittarius A* et M87

L'effondrementeffondrement d'une étoile en trou noir est très similaire - si l'on inverse le sens du temps - à la naissance du cosmoscosmos observable avec le début de l'expansion de son espace, comme l'avait notamment compris John Wheeler à qui l'on doit le terme de « trou noir ». En rotation, éventuellement avec une charge, un trou noir ressemble à une particule élémentaire avec spin comme l'électron ou un quark (rappelons qu'un protonproton n'est pas une particule élémentaire et encore moins un trou noir).

L'applicationapplication des lois de la mécanique quantiquemécanique quantique à un tel objet conduit à ce que l'on appelle le paradoxe de l'information, révélé par Stephen Hawking, qui questionne la nature profonde de la réalité. Pour toutes ces raisons, il n'est pas difficile de comprendre pourquoi les physiciensphysiciens et les cosmologistes se passionnent pour l'étude des trous noirs car ces objets sont probablement une clé de toute la physiquephysique fondamentale et d'une compréhension profonde de l'origine de l'UniversUnivers.

Il n'y a pas de science sans la confrontation aux expériences et aux observations pour la nourrir et soumettre ses réflexions aux réfutations. Le plus proche trou noir détecté, reconnu comme tel, est Cygnus X1.

Il n'est qu'à 6.000 années-lumièreannées-lumière environ mais c'est un trou noir stellairetrou noir stellaire contenant seulement une quinzaine de massesmasses solaires, ce qui implique une taille de quelques centaines de kilomètres tout au plus comme pour les autres trous noirs stellairestrous noirs stellaires. Il est plus intéressant de faire des observations avec le trou noir supermassiftrou noir supermassif que l'on pense exister au cœur de la Voie lactéeVoie lactée et qui s'est signalé à l'Humanité pour la première fois sous forme d'une source radio baptisée Sagittarius A*Sagittarius A* (Sgr A* en abrégé). En effet, bien qu'à 26.000 années-lumière environ du Système solaireSystème solaire, sa taille est estimée à environ 25 millions de kilomètres, de sorte que sa taille apparente et les détails concernant son environnement que l'on peut analyser sont plus grands que dans le cas des autres trous noirs stellaires connus dans la GalaxieGalaxie.

Pour les mêmes raisons, les astrophysiciensastrophysiciens se sont tournés vers l'étude d'un objet au cœur de la grande galaxie elliptiquegalaxie elliptique M87 située à environ 53 millions d'années-lumière de la Voie lactée. Cette fois-ci, l'astreastre compact devrait avoir une taille d'environ 36 milliards de kilomètres mais sa taille apparente est similaire à celle de Sgr A*. En 2017, il a été observé, tout comme Sagittarius A*, par huit des radiotélescopesradiotélescopes formant l'Event Horizon Telescope, un télescopetélescope virtuel réalisé grâce à l'interférométrieinterférométrie à très longue base (ou VLBIVLBI pour Very Long Baseline Interferometry en anglais), permettant de combiner des instruments de petites tailles pour obtenir l'équivalent d'un instrument de très grande taille, en l'occurrence un radiotélescope de plus de 5.000 kilomètres de diamètre.

Faisons justement un peu plus connaissance avec Sgr A* et M87.

Sagittarius A*, le trou noir de 4 millions de masses solaires

Tout commence les 13 et 15 février 1974 quand les astronomesastronomes états-uniens Bruce Balick et Robert Brown appliquent la technique de synthèse d'ouverturesynthèse d'ouverture pour combiner un réseau de radiotélescopes sur le fameux observatoire de Green Bank avec un autre instrument situé à Huntersville, en Virginie-Occidentale. Cela leur permet de mettre en évidence une puissante radio-source compacte en direction du centre de la Voie lactée, dans la constellationconstellation du Sagittaire. La source est baptisée Sagittarius A. En 1982, Brown lui donnera finalement le nom qui est resté depuis : Sagittarius A*. Comme l'excitation concernant cette source radio ne faisait qu'augmenter au fur et à mesure qu'on l'étudiait, au moins dans le cas de Brown, il a ajouté « * » qui désigne en physique un atomeatome excité.

Au cours des années 1990, des équipes d'astronomes vont étudier patiemment les mouvementsmouvements d'étoiles autour de Sagittarius A*. Ces étoiles ne pouvaient être vues que dans l'infrarougeinfrarouge, car il y a une telle quantité de poussières et de nuagesnuages moléculaires qui s'intercalent entre un observateur sur Terre et le centre de la Voie lactée qu'il n'est pas possible de l'étudier dans le visible. Les photonsphotons gamma et X passent sans problème par contre, et bien sûr des ondes radio dans le domaine millimétrique et le rayonnement infrarouge.

Une étoile en particulier, baptisée S2, a fait l'objet de mesures soigneuses. Or, il s'avère que les caractéristiques des mouvements de ces étoiles renseignent sur la masse d'un corps attracteur. Tout se passe comme si un astre particulièrement compact contenant environ 4 millions de masses solaires se trouvait vers le centre de la Voie lactée. L'explication la plus crédible, et de loin pour l'existence d'un tel astre compact, est celle d'un trou noir supermassif.

M87, la galaxie géante avec un jet relativiste

M87 est une galaxie elliptique géante découverte en 1781 par l'astronome français Charles MessierCharles Messier. Elle est située près de la limite nord de la constellation de la Viergeconstellation de la Vierge, non loin de la constellation de la Chevelure de Bérénice. Messier 87Messier 87, comme on l'appelle aussi, est la plus grande galaxie elliptique la plus proche de la Terre et l'une des plus brillantes radio-sources du ciel. Elle a donc été l'objet d'observations fréquentes aussi bien des astronomes amateurs que des radioastronomes. Dès 1918, l'astronome états-unien Heber Doust Curtis avait observé ce que l'on comprendra plus tard être un jet de matièrematière particulièrement fin et collimaté qui s'étend sur au moins 5.000 années-lumière.

Nous savons que ce jet est produit proche du centre de Messier 87 et, là aussi, tout porteporte à croire qu'un trou noir supermassif en rotation et accrétant de la matière en est à l'origine. Il y aurait en fait deux jets. Celui qui pointe en direction de la Voie lactée contient de la matière allant presque à la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière et il devient plus brillant à cause d'un effet relativiste alors que celui qui doit partir en direction opposé voit sa luminositéluminosité grandement diminuée pour la même raison.

M87 est donc un bon laboratoire pour mieux comprendre la physique des disques d'accrétiondisques d'accrétion et la formation des jets relativistes associés à ces disques et aux trous noirs de Kerrtrous noirs de Kerr et que nous retrouvons derrière des noyaux de galaxies bien plus actifs, en particulier les quasarsquasars. Nous voyons aussi des phénomènes dynamiques dans le jet de M87, que nous pouvons suivre dans l'ultravioletultraviolet et le domaine des rayons Xrayons X avec Hubble et Chandra respectivement. L'Event Horizon Telescope devrait nous permettre d'en savoir plus sur ces phénomènes comme l'a prouvé le fait qu'il a fournit en avril 2019 la première image d'un trou noir supermassif que l'on appelle M87*M87* par analogieanalogie avec Sagittarius A*, le trou noir supermassif au coeur de la Voie lactée .