lundi 27 mai 2019

L'Event Horizon Imager : un EHT mis en orbite pour des images de trous noirs encore plus précises

Sans attendre les prochains résultats de l'image de l'ombre de l'horizon de Sgr A*, faisant suite à la superbe image de M87* du mois dernier, des chercheurs membres de l'EHT voient déjà plus loin avec un concept de réseau interférométrique envoyé dans l'espace et promettant des performances décuplées.



Freek Roelofs (Radboud University) et ses collègues européens ont étudié un nouveau concept de radiotélescope interférométrique à très longue base. On devrait plutôt dire, à très très longue base, puisque le système baptisé EHI (Event Horizon Imager) s'étendrait sur plusieurs dizaines de milliers de kilomètres. Non seulement l'EHI aurait une base beaucoup plus importante que celle de l'EHT, lui permettant un gain important en résolution, mais il pourrait également fonctionner en détectant une fréquence radio plus élevée : 690 GHz au lieu des 230 GHz de l'EHT, ce qui lui confère de nouveaux avantages, comme celui de pouvoir s'"approcher" encore plus près du bord de l'ombre de l'horizon de Sgr A*. 

L'idée de Roelofs et ses collègues est d'utiliser deux ou trois radiotélescopes positionnés en orbite autour du Soleil, suivant l'orbite terrestre. Ils ont produit des simulations des images qui pourraient être obtenues dans différentes configurations avec un tel réseau interférométrique à longue base spatiale. Les radioastronomes ont évalué les performances d'un système à deux ou trois antennes, de 4 m ou bien de 25 m chacune, et pour différentes durées d'observation.
Les résultats qui sont publiés aujourd'hui dans la revue européenne Astronomy&Astrophysics, montrent que l'EHI serait capable de fournir en quelques mois d'observation continue (rendu possible par le fait d'être en orbite), une image de l'ombre de Sgr A* avec une résolution de 4µs d'arc, ce qui ne fait que 8% du diamètre attendu de l'ombre! 
Une telle résolution angulaire (phénoménale) mène à la possibilité d'imager non seulement Sgr A* et M87* dans de très bonnes conditions, mais aussi d'autres trous noirs supermassifs, aujourd'hui inaccessibles pour l'EHT du fait de leur dimension angulaire trop petite (rappelons que la résolution maximale obtenue par l'EHT est de 23 µs d'arc) : les auteurs mentionnent le trou noir supermassif de M104, la galaxie du Sombrero (1 milliard de masses solaires situé à 9,55 Mpc, soit un horizon de 11 µs d'arc de diamètre), celui de la galaxie elliptique M84 (850 millions de masses solaires à 17 Mpc, ce qui fait un horizon de 5 µs d'arc, et peut-être le trou noir de M81, avec sa masse de 70 millions de masses solaires, situé à 3,63 Mpc, ce qui lui confère un horizon de 2 µs d'arc de diamètre.


Et une autre cible serait également potentiellement accessible à l'EHI selon les chercheurs, non pas pour imager son horizon, mais pour voir des détails sur le jet de plasma qui prend naissance tout juste au dessus du pôle du trou noir. Il s'agit du noyau actif de la galaxie Centaurus A. L'horizon de son trou noir ne fait que 1 µs d'arc, mais la résolution de l'EHI à 690 GHz, qui est de 4 µs, correspond, à la distance de Cen A, à une longueur de seulement 2 heures-lumière. Cela pourrait permettre d'imager la base du jet associé au trou noir actif sur une échelle de longueur 100 fois plus petite que les meilleurs résultats obtenus à ce jour dans ce type de mesures. Et Cen A ne serait pas le seul noyau actif de galaxie à pouvoir être scruté de près pour comprendre la physique qui est à l'oeuvre dans le phénomène d'accrétion autour des trous noirs supermassifs...

Freek Roelofs et ses collaborateurs précisent néanmoins que pour ce qui concerne Sgr A*, dont les ondes radio doivent traverser de grandes quantités de matière du milieu interstellaire, la fréquence de 690 GHz est indispensable pour obtenir un gain de performance de résolution par rapport à ce que donne l'EHT. Il existe en effet un effet de diffusion dans le milieu interstellaire qui devient plus important à mesure que la base de l'interféromètre est grande, une diffusion qui est fortement réduite à plus haute fréquence. Ce n'est pas du tout le cas pour les trous noirs des autres galaxies qui sont vus plus directement.
Sgr A* a aussi le défaut d'être une source qui varie rapidement dans le temps, du fait de sa petite taille. Elle varie environ 1000 fois plus vite que celle de M87* par exemple, ce qui serait l'une des raisons pour lesquelles c'est l'image de M87* qui est sortie la première des superordinateurs de l'EHT. Dans leurs simulations, les chercheurs n'ont appliqué qu'une variabilité causée par des structures turbulentes à petite échelle en conservant des structures à grandes échelles stables et prédominantes, ce qui permet finalement de moyenner les variabilités. Ils précisent que si il existe des changements rapides de structure à grande échelle dans la source, les performances calculées pourraient très vite se dégrader.
Enfin, les chercheurs rappellent que d'autres challenges seront à résoudre avant de voir un EHI en orbite, notamment  la complexité de la corrélation in situ des données entre les antennes et le besoin de traitement des données pour envoyer vers la Terre des données déjà "réduites".

Cette étude préliminaire montre avant tout qu'un réseau de  quelques radiotélescopes en orbite a un potentiel énorme et permettrait des tests encore plus robustes de la relativité générale et de la physique associée aux trous noirs en général. 


Source

Simulations of imaging the event horizon of Sagittarius A* from space
Freek Roelofs et al.
A&A Volume 625, (24 May 2019)


Illustration

1) Images simulées de l'ombre de l'horizon de Sgr A* dans différentes configurations de l'Event Horizon Imager avec 1 mois, 6 mois et 24 mois d'observation (Roelofs et al.)

2) Image de M87* obtenue avec l'EHT (Event Horizon Telescope Collaboration)