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La première image d'un trou noir

Voir en physique

   Catégorie : galaxies
Mise à jour 10 avril 2019

De tout temps l'homme a eu besoin de la vision pour mesurer les phénomènes physiques mais notre vue n'est pas performante.
Ce que nous voyons avec nos yeux, c'est la petite plage de vibrations que l'on trouve dans le spectre électromagnétique entre 380 nanomètres pour le violet et 780 nanomètres pour le rouge tandis que l'image, elle, est construite par notre cerveau.
La longueur d'onde de la lumière est intimement liée au concept de couleur mais il y a des couleurs que l'on ne verra jamais, celles situées au delà du violet et en deçà du rouge. Elles ne seront donc jamais interprétées par notre cerveau.
Le paradoxe avec un trou noir est qu'il n'a pas de couleur par définition car la lumière, la matière et l'énergie sont prisonnières du trou noir.
Comment les physiciens du projet EHT (Télescope de l'Horizon des Evènements), ont pu transformer les informations d'un trou noir supermassif invisible en lumière visible pour l'œil humain ?
Là encore un trou noir n'émet aucune information, c'est un objet mystérieux dont la surface n'est ni solide ni liquide ni gazeuse, c'est une simple frontière immatérielle baptisée « horizon des évènements ». Il faut donc inventer une autre façon de « voir » ou plutôt une façon de « voir » le rien.
Si le trou noir est invisible, son environnement, lui, ne l'est pas et c'est grâce à lui que l'on va pouvoir déterminer l'horizon des évènements et ainsi voir l'ombre du trou noir.
Selon la théorie du trou noir, la matière proche de l'horizon des évènements est fortement chauffée par accrétion avant d'être absorbée par le monstre puis de disparaitre à jamais dans son puits gravitationnel.
Mais avant de disparaitre à jamais, la poussière et le gaz environnant ainsi que les résidus d'étoiles qui ont jadis été brisées par les forces de marée, émettent un rayonnement caractéristique dans le domaine des ondes millimétriques (une lumière non visible par l'œil).
Ce rayonnement pourrait nous dévoiler le pourtour du trou noir. La lumière millimétrique tournant autour du trou noir va donc nous fournir par contraste, de nombreuses informations sur le trou noir (sa force de gravitation, la façon dont il déforme l'espace temps, les effets de lentilles gravitationnelles, etc.).
En résumé, un trou noir bien qu'invisible, « allume » à sa façon la matière qu'il attire.

 

L'image ci-contre représente un trou noir éclairé par la matière qu'il a lui-même fait chauffer.
C'est en utilisant la technique de l'interférométrie à très longue base, c'est à dire en combinant huit télescopes radio répartis sur notre planète (Europe, Chili, Etats-Unis, Hawaï et Antarctique) que les astronomes ont créé un télescope géant virtuel dont le diamètre est aussi grand que la distance qui les sépare (environ 10 000 km).
Les cibles concernées étaient les deux trous noirs les plus « visibles » depuis la Terre.
La première cible fut Sagittarius A* (Sgr A), situé au centre de notre Voie Lactée, à 26 000 années-lumière de nous, dont la masse est égale à 4,1 millions de fois celle du Soleil. L'autre cible était le trou noir supermassif (1 500 fois Sagittarius A* ou 6 milliards de masses solaires), situé à 50 millions d'années-lumière au cœur de la galaxie elliptique géante M87.
Les équipes de l'EHT n'avaient qu'une fenêtre d'environ deux semaines chaque année pour faire une tentative d'observations groupées.
Pour construire l'image à haute résolution, les physiciens ont dû combiner ultérieurement les signaux captés par les différentes antennes du réseau avec leurs propres horloges atomiques, c'est à dire les temps d'arrivée des signaux au dixième de milliardième de seconde près, puis les comparer et les trianguler avec leur point d'origine pour reconstituer une image globale gigantesque. Une seule nuit d'observation collectait 2 petaoctets de données (2 x 1015). Il est possible que dans cette montagne de données se cachent d'autres informations qui nous permettraient de mieux comprendre la physique très particulière régnant dans l'environnement proche des trous noirs, notamment les gigantesques jets de particules et de rayonnement que certains d'entre eux projettent dans l'espace à des vitesses proches de celle de la lumière.
Les disques durs de données stockés en Antarctique ont ensuite dû attendre la fin du long hiver glacial pour être transportés à l'observatoire Haystack du MIT et à l'Institut Max Planck à Bonn.
Cette première image d'un trou noir que vous voyez sur votre écran n'est composée que de 33 ko de données soit (33 x 103), mille milliards de fois plus simple que les données collectées.
C'est ça « voir » pour notre cerveau, c'est simplifier à l'extrême la complexité du réel, une simple silhouette noire cernée par une tache brillante floue suffit à notre bonheur.

 La première image d'un trou noir

Image : en avril 2017, les informations de la première image d'un trou noir ont été collectées sur les disques durs des différents télescopes et transportées par un avion de ligne vers l'observatoire d'Haystack dans le Massachusetts. Ensuite, elles ont été traitées, comparées et analysées par des grappes de superordinateurs et ce n'est qu'en avril 2019 que les physiciens ont pu nous dévoiler ce simple halo de lumière jaune orangé, flou et asymétrique qui se détache sur un fond noir.
Le monstre cosmique, situé à environ 50 millions d'années-lumière de la Terre a été imagé au centre de la galaxie M87, par une collaboration internationale baptisée Event Horizon Telescope (EHT).
Crédit photo : EHT Collaboration

La première simulation d'un trou noir

    

Jean Pierre Luminet en 1978, en tenant compte des distorsions complexes que le fort champ gravitationnel imprime à l'espace-temps et aux trajectoires des rayons lumineux qui en épousent la trame, a créé la première image virtuelle d'un trou noir (image ci-contre).
Dans sa simulation, l'horizon des évènements a l'aspect d'un disque légèrement aplati. Le champ gravitationnel incurve si fortement les trajets des rayons lumineux au voisinage du trou noir que la partie arrière du disque est « relevée ».
Ainsi une image secondaire permet de voir l'autre face du disque d'accrétion, celle située derrière le trou noir qui a pris la forme d'un mince halo de lumière collé au disque noir central.
Mais la caractéristique principale de cette simulation est la différence de luminosité entre les différentes régions du disque.

 

La brillance propre est maximale dans les zones les plus proches de l'horizon, car c'est là que le gaz est le plus chaud. Pour un observateur lointain, le flux lumineux reçu est amplifié du côté de l'image où le gaz se rapproche de l'observateur. L'observateur n'étant pas stationnaire par rapport au trou noir, cela introduit une distorsion des images par effet Doppler.
Le trou noir peut être animé d'un mouvement de rotation et engendrer une asymétrie, le trou noir n'est plus sphérique.
De plus, l'effet de lentille gravitationnelle causé par le trou noir amplifie la taille apparente de son horizon des évènements.

 trou noir anneau de gaz - ESA

Image : la première simulation de  Jean-Pierre Luminet (1978), jeune chercheur à l'Observatoire de Paris-Meudon. Crédit photo : EHT Collaboration

Un phénomène en physique est une observation qui montre comment un système physique ou un corps physique interagit avec l'environnement (comment il se transforme, comment il se met en mouvement, comment il change d'état, comment il modifie sa température, etc.).
En générale, il n'y a pas de modification de la nature du corps physique cela concerne plutôt la thermodynamique du corps. C'est à dire la façon dont le corps physique va échanger de l'énergie avec l'environnement, comment il va réagir sans altération.
Quelques exemples de phénomènes en physique :
- Une pile va interagir en transformant de l'énergie chimique (réaction chimique entre deux substances) en énergie électrique (la nature de la pile ne change pas, la pile reste une pile).
- Un moteur électrique va interagir en transformant l'énergie électrique (déplacement d'électrons) en mouvement (le moteur reste un moteur).
- Un cyclone va interagir en transformant de l'énergie calorifique (la chaleur de l'océan) en mouvement (vortex des masses d'air).
- Une éolienne va interagir en transformant un mouvement (déplacement des molécules d'air) en énergie électrique (rotation d'une bobine magnétique qui elle-même transforme son énergie en énergie électrique).
- L'eau qui boue dans une casserole va interagir en dissipant au mieux l'énergie calorifique, au début elle diffuse progressivement l'énergie par conduction (les molécules d'eau s'échauffent de proche en proche), ensuite elle va diffuser son énergie par convection (les molécules d'eau s'agitent de plus en plus), et enfin l'eau s'évapore mais l'eau reste de l'eau, elle change simplement d'état.
L'interférométrie à très longue base est une méthode d'observation utilisée en radioastronomie, dans laquelle les données reçues de chaque antenne du réseau sont marquées avec une heure précise, fournie par une horloge atomique locale, puis enregistrées sur disque dur.
Les enregistrements de chaque antenne sont ensuite rassemblés et corrélés afin de produire une image colorée interprétable par notre cerveau.
La résolution d'un interféromètre est proportionnelle à la distance séparant les antennes les plus éloignées du réseau et à la fréquence observée.
Les réseaux VLBI fonctionnent généralement dans le domaine des ondes radio, mais aussi dans le domaine optique.

Une lentille gravitationnelle est produite par la présence d'un fort champ gravitationnel (amas de galaxies, trou noir) se situant entre un observateur et une source « lumineuse » lointaine.
Ce champ gravitationnel va fortement dévier les rayons lumineux passant tout près et cela va déformer les images reçues par l'observateur placé sur la ligne de visée, lui donnant l'impression de voir les objets situés derrière le corps céleste.
Prédits par la relativité générale d'Albert Einstein, plusieurs mirages gravitationnels ont depuis été observés dans les champs profonds de l'univers observable.
           
           
 
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