Il y a six ans, l’Event Horizon Telescope (EHT) dévoilait la toute première image d’un trou noir. Basée sur des observations réalisées en 2017, cette image a fait le tour du monde. Elle était le fruit d’un effort mondial coordonnant plusieurs radiotélescopes et chercheur·euse·s afin d’observer M87*, un trou noir supermassif situé à environ 55 millions d’années-lumière. D’autres images ont suivi, notamment celles rendues publiques l’année dernière à partir des observations de 2018. Aujourd’hui, une nouvelle analyse de ces données marque une avancée majeure dans la compréhension des dynamiques complexes des trous noirs.
Dans l’article publié aujourd’hui dans Astronomy & Astrophysics, les chercheur·euse·s confirment que l’axe de rotation de M87* pointe à l’opposé de la Terre et démontrent que la turbulence dans le disque d’accrétion — le gaz en rotation autour du trou noir — peut aider à expliquer le déplacement observé de l’anneau incandescent par rapport aux images de 2017.
« Nous avons commencé à observer des changements, et c’est exactement ce à quoi nous nous attendions. L’horizon des événements de M87* mesure environ une journée-lumière de diamètre, donc son disque d’accrétion devrait se présenter sous un nouveau jour en quelques jours seulement », explique Avery Broderick, membre du corps professoral associé à l’Institut Périmètre et professeur agrégé à l’Université de Waterloo, qui dirige l’équipe chargée de traiter les données de l’EHT. « Tous nos modèles simulés nous donnent une idée de l’amplitude attendue de ces variations, et cette confirmation est importante. Cet article vise à comprendre ce que signifient ces images à la lumière de nos meilleures simulations numériques. »
Cette recherche représente un progrès notable dans notre compréhension des processus extrêmes qui régissent les trous noirs et leur environnement, offrant de nouvelles perspectives théoriques sur certains des phénomènes les plus mystérieux de l’univers. « L’environnement d’accrétion d’un trou noir est turbulent et dynamique. Puisque nous pouvons traiter les observations de 2017 et 2018 comme des mesures indépendantes, nous avons une nouvelle façon de contraindre les propriétés de l’environnement du trou noir », indique Hung-Yi Pu, professeur adjoint à la National Taiwan Normal University. « Ce travail illustre le potentiel transformateur qu’offre l’observation de l’évolution temporelle de l’environnement des trous noirs. »
Lors de la publication de la première image, la région la plus brillante apparaissait plus au sud de l’image que ce que les scientifiques avaient anticipé. Cela représentait un petit mystère nécessitant davantage de données. En comparant les observations de 2017 à celles de 2018, l’équipe a pu constater un retour à la moyenne, ce qui confirmait l’alignement entre les modèles et les observations.
« C’est une question de reproductibilité. Nous nous attendions à ce que M87* change. Il a bel et bien changé », souligne Broderick. « Le fait que ce changement corresponde essentiellement à ce que nous avions prévu réaffirme une composante essentielle de la science : la reproductibilité. »
Le fait que l’anneau reste plus brillant en bas de l’image nous en dit long sur l’orientation de la rotation du trou noir. Bidisha Bandyopadhyay, chercheuse postdoctorale à l’Universidad de Concepción, ajoute : « La position de la région la plus brillante en 2018 renforce également notre interprétation précédente de l’orientation du trou noir à partir des observations de 2017 : l’axe de rotation du trou noir pointe à l’opposé de la Terre! »
Un effort mondial pour capturer les trous noirs
Prendre une photo d’un trou noir — et en étudier l’évolution — est loin d’être une mince affaire. En réalité, cela nécessite un télescope aussi grand que la planète entière. L’EHT y parvient en coordonnant plusieurs radiotélescopes répartis sur le globe, tous pointés vers le même trou noir au même moment, puis en traitant ces données pour produire une image visualisable.
« L’EHT est l’instrument d’imagerie à la plus haute résolution de toute l’histoire de la science », explique Broderick. « La résolution de ces images est comparable à celle qui permettrait, en tendant son pouce à bout de bras, de distinguer les atomes qui le composent. »
Pour atteindre une telle résolution, il faut collecter des pétaoctets de données. Des tonnes de disques durs physiques travaillent de concert pour traiter et analyser l’information. Après les observations de 2017, le projet risquait de manquer d’espace de stockage, se souvient Broderick. « Nous avions toutes ces données à la fin de 2017, et il nous fallait une toute nouvelle série de disques durs — que nous n’avions pas. L’Institut Périmètre est alors intervenu, procédant à un achat de disques durs à la dernière minute, comblant une lacune critique qui a permis d’éviter l’annulation des observations de 2018. Le simple fait que ces observations aient eu lieu découle directement de l’intervention rapide et décisive de Périmètre, et de la flexibilité que l’Institut peut apporter à ce type d’effort. »
Mais l’EHT ne se résume pas à la technologie ou à la capacité de stockage. C’est aussi une question de relève scientifique, et de développement du talent nécessaire pour réaliser les prochaines grandes découvertes. L’Institut Périmètre et l’Université de Waterloo ont joué un rôle crucial dans la formation de cette relève et dans l’envoi de ces talents vers des carrières prometteuses.
« Une grande partie de l’analyse des données de 2018 a été menée par nos collègues de l’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) à Taïwan. Fait intéressant : les personnes qui ont dirigé l’article publié en janvier dernier et celui publié aujourd’hui sont toutes passées par Waterloo en tant qu’étudiant·e·s ou chercheur·euse·s postdoctoraux », explique Broderick. « Nous formons la prochaine génération de leaders de l’EHT. »
L’analyse rendue publique aujourd’hui est le fruit d’un monde entier de talents, de technologies et d’efforts. Cette célèbre image du « beigne de feu », comme l’appelle Broderick, capture bien plus qu’un trou noir. Elle capture une coopération à l’échelle planétaire.
« L’EHT nécessite un télescope de la taille de la Terre. Cela signifie que nous avons besoin de gens partout sur la planète, de celles et ceux qui fabriquent les instruments de leurs mains à celles et ceux qui construisent des théories au tableau, et tout ce qu’il y a entre les deux », affirme Broderick. « C’est la démonstration de ce que l’humanité peut accomplir lorsqu’elle collabore. Il est possible de mettre nos différences de côté et de réaliser des choses extraordinaires. »
À propos de la collaboration de l’Event Horizon Telescope
La collaboration EHT regroupe plus de 400 chercheur·euse·s provenant d’Afrique, d’Asie, d’Europe, ainsi que d’Amérique du Nord et du Sud. Ce partenariat international vise à obtenir les images de trous noirs les plus détaillées jamais captées, en créant un télescope virtuel de la taille de la Terre. Appuyé par d’importants investissements internationaux, l’EHT relie des télescopes existants à l’aide de systèmes novateurs, créant ainsi un instrument fondamentalement nouveau doté du plus grand pouvoir de résolution angulaire jamais atteint.
Les télescopes impliqués sont : ALMA, APEX, le télescope IRAM de 30 mètres, l’observatoire NOEMA de l’IRAM, le James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), le Large Millimeter Telescope (LMT), le Submillimeter Array (SMA), le Submillimeter Telescope (SMT), le South Pole Telescope (SPT), le télescope de Kitt Peak et le Greenland Telescope (GLT). Les données ont été corrélées au Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) et à l’observatoire Haystack du MIT. Le post-traitement a été effectué au sein de la collaboration par une équipe internationale répartie dans différentes institutions.
Le consortium EHT se compose de 13 instituts partenaires : l’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, l’Université de l’Arizona, l’Université de Chicago, l’East Asian Observatory, l’Université Goethe de Francfort, l’Institut de radioastronomie millimétrique, le Large Millimeter Telescope, le Max Planck Institute for Radio Astronomy, l’observatoire Haystack du MIT, l’Observatoire astronomique national du Japon, l’Institut Périmètre de physique théorique, l’Université Radboud, et le Smithsonian Astrophysical Observatory.
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
