vendredi 24 février 2017

Tenez vous prêts à Voir un trou noir avant la fin de l'année 2017


Du 5 au 14 avril prochain aura lieu une observation exceptionnelle : l'Event Horizon Telescope, le plus grand réseau de radiotélescopes couvrant plusieurs milliers de kilomètres sur différents continents, fera une image de Sgr A*, le  trou noir supermassif de notre Galaxie. L'image reconstruite devrait être rendue publique vers la fin 2017.




L'Event Horizon Telescope est un télescope virtuel mais constitué de véritables radiotélescopes, et des plus performants. Pour imager Sgr A* dont la taille n'est que de 20 millions de kilomètres (17 fois la taille du soleil), et situé à presque 26000 années-lumière, il faut atteindre une résolution angulaire d'environ 20 microarcsecondes. La seule solution pour atteindre une telle performance serait de disposer d'un télescope dont l'ouverture fait plusieurs milliers de kilomètres. Nous ne possédons évidemment pas de tels instruments, mais une technique très intéressante existe, qu'on appelle l'interférométrie, qui permet à partir de plusieurs télescopes ou radiotélescopes de reconstituer une seule image équivalente à celle qui serait obtenue avec un télescope dont l'ouverture est égale à la distance séparant les différents éléments du réseau. La technique d'interférométrie fonctionne particulièrement bien dans le domaine des ondes radio avec des radiotélescopes. De nombreux réseaux de radiotélescopes sont ainsi implantés dans différents sites autour du monde, les plus fameux étant certainement l'américain VLA et l'européen ALMA implanté au Chili. 
Or, rien n'empêche de créer une sorte de radiotélescope géant basé sur un réseau de réseaux de radiotélescopes distants de plusieurs milliers de kilomètres. On appelle cette technique l'interférométrie a très longue base. Ainsi est né l'Event Horizon Telescope après de gros efforts pour convaincre les responsables de nombreux instruments répartis en Europe, en Amérique, à Hawaï et jusqu'en Antarctique de joindre leurs forces pour bâtir l'instrument ultime à même d'imager la silhouette que forme l'horizon du trou noir supermassif de notre galaxie.
Cela fait maintenant près de 20 ans que le projet de l'Event Horizon Telescope a commencé à prendre forme. Sa version complète est désormais composée de 12 installations de radioastronomie réparties sur 4 continents.



On y retrouve sur le continent américain CARMA (Combined Array for Research in Millimeter-wave  Astronomy), LMT (Large Millimeter Array), ARO (Arizona Radio Astronomy), APEX (Atacama Pathfinder Experiment), ASTE (Atacama Submillimeter Telescope Experiment), ALMA (Atacama Large Millimeter Submillimeter Array), à Hawaï : CSO (Caltech Submillimeter Obsevatory), JCMT (James Clerck Maxwell Telescope) et SMA (Submillimeter Array), en Europe : NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) et le radiotélescope de 30 m de l'IRAM (Institut de Radioastronomie Millimétrique), et en Antarctique le SPT (South Pole Telescope). Les données interférométriques de ces 12 observatoires devraient fournir une résolution angulaire de 50 microarcsecondes, suffisante pour visualiser la silhouette formée par la matière échauffée entourant l'horizon de Sgr A*.
L'ajout récent du réseau ALMA a été déterminant et a permis aux chercheurs d'envisager une performance améliorée d'un facteur 10, redoublant d'optimisme pour la campagne d'observations du mois d'avril.

Si tout se passe bien, si de la matière est actuellement en accrétion et si la théorie de la Relativité Générale fonctionne toujours à proximité immédiate des trous noirs, les astrophysiciens savent déjà à quoi devrait ressembler l'image de la silhouette de Sagittarius A*. De nombreuses simulations ont été effectuées et montrent que l'émission du gaz échauffé en rotation autour du trou noir de 4,2 millions de masses solaires devrait se voir sous la forme d'un croissant, une forme asymétrique laissant entrevoir une zone sombre et un côté beaucoup plus brillant que l'autre, dû aux effets relativistes de la rotation du gaz autour du trou noir.
Mais il se peut aussi que l'image obtenue soit différente voire très différente des simulations, et ce serait dans ce cas une nouvelle fantastique, montrant une défaillance de la Relativité Générale et ouvrant des perspectives de nouvelle physique.


La technologie interférométrique déployée sur les 12 sites est particulière: les radiotélescopes vont tous observer le centre galactique dans la même longueur d'onde au même moment, mais les signaux ne seront pas mélangés en temps réel comme dans d'autres réseaux interférométriques. Ils seront synchronisés grâce à l'utilisation d'horloges atomiques sur chaque site et les données seront donc enregistrées et toutes datées avec la plus grande précision. Ensuite, les milliers de teraoctets de données enregistrées durant la semaine d'observation sur chaque observatoire seront envoyées sous la forme de gros disques durs vers le laboratoire Haystack du MIT situé près de Boston, où toutes ces données seront traitées par un superordinateur pour être mises en commun  (corréléeset pour espérer reconstruire l'image de la silhouette de Sgr A*. La phase de traitements algorithmiques et de vérifications devrait durer plusieurs mois. 
Les chercheurs du projet EHT menés par Sheperd Doelman (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusettsont même un rêve un peu fou : créer un film montrant l'activité du trou noir. En effet, la matière située au plus près de l'horizon du trou noir devrait en faire le tour en environ 30 minutes. Il se pourrait donc que l'EHT parvienne à obtenir une série d'images changeantes durant sa période d'observation relativement longue, et donc puisse fournir une sorte de timelapse de l'évolution de la matière autour de Sgr A*. C'est ce que Katie Bouman du MIT croit possible d'obtenir.

Mais avant toute chose, la collaboration va avoir besoin d'une bonne météo sur l'ensemble des 12 sites au même moment lors des observations. La longueur d'onde observée est dans l'infra-rouge lointain (1,3 mm, soit 230 GHz), une longueur d'onde qui est à même de traverser de grandes quantités de gaz et de poussière autour du trou noir, mais qui est bien absorbée par les molécules d'eau de l'atmosphère terrestre.
Plus que voir pour la première fois la silhouette d'un trou noir, ce qui sera déjà en soi une nouvelle phénoménale, l'objectif de l'EHT est surtout de vérifier que ce que l'on verra correspond bien à la théorie de la Relativité Générale. La proximité de l'horizon d'un trou noir est le lieu idéal pour la tester là où elle pourrait le plus faillir. 
Après le trou noir de notre galaxie, les astrophysiciens de l'EHT pensent déjà à s'attaquer à un trou noir supermassif d'une autre galaxie, qui a l'avantage d'être beaucoup plus gros, 1700 fois plus grand et massif, et situé 2000 fois plus loin que Sgr A*: le monstre qui se trouve au centre de la galaxie M87, que l'on sait par ailleurs être très actif...  Les trous noirs vont très bientôt se dévoiler.


Illustrations 

1) Simulation de l'image de Sgr A* pouvant être obtenue par l'EHT en 2017 (T. Johannsen et al., Phys. Rev. Lett. (2016))

2) Les 12 sites formant ensemble l'Event Horizon Telescope (EHT Collaboration)

3) 8 antennes sur les 66 constituant le réseau ALMA (ESO)