Première image d’un Trou Noir : comment imager un objet invisible ?

Vous en avez tous très certainement entendu parler, c’est l’événement scientifique majeur de ces dernières semaines. 

Le 10 avril 2019, lors de six conférences de presse simultanées, les scientifiques ont révélé la première image d’un trou noir. 

Peut-être que certains d’entre vous se demandent ce que cela peut avoir de si extraordinaire. 

Ou encore comment ils ont bien pu réaliser cette image ? 

Si les réponses à ces questions vous intéressent, vous êtes au bon endroit !

Nous allons découvrir tout ce qui se cache derrière cette image. 

Avant de rentrer dans le vif du sujet, je vous conseille d’aller lire ou relire mes articles sur les trous noirs. 

Certaines notions sont nécessaires pour une bonne compréhension de ce qui va suivre ! 

Vous êtes prêts ? 

Allons-y !

Pourquoi cette image de trou noir est-elle si importante ?

Pour commencer, arrêtons-nous d’abord sur l’importance de cette image. 

Certains d’entre vous se demandent peut-être pourquoi on accorde autant d’intérêt à une « simple image ». 

Eh bien, c’est sûrement parce que ce n’est pas vraiment une simple image. 

Et ce pour plusieurs raisons ! 

Première raison : la nature de l’objet

La première et la plus importante réside tout simplement dans la nature de l’objet présent sur celle-ci. 

En effet, un trou noir comme son nom l’indique est noir. 

Cela est dû à son champ gravitationnel tellement puissant qu’il empêche toute lumière de s’en échapper. On ne peut donc par principe pas voir un trou noir.

Comment imager un objet que l’on ne peut pas voir et qui ne laisse échapper aucune lumière ? 

Vous commencez à comprendre pourquoi cette image est si extraordinaire ? 

Je suis sûre que vous avez tous eu l’occasion de prendre une photo au moins une fois. 

Vous savez également que, de même que nos yeux, un capteur d’appareil photo capture de la lumière. 

C’est cette dernière qui nous permet de voir les objets qui nous entourent. 

image trou noir

Crédits : M. Helfenbein, Yale University / OPAC

Ainsi, sans lumière, le monde serait noir, c’est le cas de le dire.

Comme un trou noir absorbe la lumière et qu’elle ne peut s’en échapper, impossible d’en observer un. 

Donc encore moins d’en prendre une « photo ». (Oui les guillemets sont importants ici !)

Mais évidemment, ce n’est pas la seule raison pour laquelle cette image est si épatante. 

Deuxième raison : la taille

Un trou noir est par définition une énorme masse contenue en un tout petit point. 

Faîtes un point avec un stylo sur un de vos murs. 

Maintenant, éloignez-vous jusqu’à la paroi opposée. 

Vous êtes d’accord qu’à moins d’avoir de super bons yeux (ou d’être dans un placard d’un mètre carré, on pense à toi Harry) vous ne distinguez plus du tout le point ? 

Pourtant vous n’êtes finalement pas si loin que ça de lui. 

Eh bien, imaginez que le point soit un trou noir et que votre pièce représente notre galaxie par exemple. 

Le Système solaire se trouve à l’opposé du point, là où vous vous trouvez actuellement. 

Vous comprenez combien il est difficile d’observer ce trou noir. 

Mais je sais ce que vous allez me dire ! 

« Oui, mais on a des télescopes, il suffit d’en pointer un dessus et on voit le point ! »

Oui, mais non…

Parce qu’à l’échelle de l’Univers, la distance entre nous et le trou noir le plus proche est astronomique. 

Pour être plus précise, notre trou noir central se trouve à 26 000 années-lumière de notre Soleil. 

Afin que vous visualisiez mieux cette distance, laissez-moi changer un peu l’échelle. 

Le trou noir correspond à une orange située sur la Lune, vue de la Terre.

On ne peut donc pas utiliser de télescope classique, c’est beaucoup trop petit. 

Nous avons ainsi ici deux raisons pour qualifier cette image d’extraordinaire. 

Et comme on dit toujours, jamais deux sans trois, en voici donc une dernière. 

Troisième raison : parce que… Einstein !

En 1915, Einstein établit la théorie de la Relativité Générale. 

Ses calculs le poussèrent à penser qu’un objet très petit pouvait contenir une masse énorme et déformer l’espace et le temps d’une manière exceptionnelle. 

Lui-même ne crut pas vraiment en cette théorie et mourut avant qu’elle n’ait pu être prouvée.   

Et pourtant, il venait de créer le concept de trou noir. 

Durant les décennies qui suivirent, de nombreux scientifiques se penchèrent sur la question. 

Et ils trouvèrent nombre d’arguments en faveur de l’existence de cet objet, si exotique. 

Cependant, comment démontrer l’existence d’un objet si l’on ne peut l’observer directement ? 

Aujourd’hui, 104 longues années après l’énoncé de la théorie d’Einstein, un objet que personne ne pensait pouvoir contempler un jour a pu être imagé. 

Albert Einstein

Albert Einstein

C’est un peu comme si on arrivait à prouver l’existence d’un Dieu si on y réfléchit bien. 

Bon personnellement, je préfère les trous noirs, mais sur le principe les deux se ressemblent légèrement ! 

Vous n’êtes toujours pas convaincu de la puissance de cette image ? Laissez-moi vous raconter comment on l’a obtenue. 

Et si vous étiez déjà convaincus, laissez-moi vous raconter tout ce que vous voulez savoir sur cette image ! 

Notre histoire commence avec un projet étrange, portant le nom d’EHT pour Event Horizon Telescope. 

Partons à la rencontre de ce mystérieux projet…

Qu’est-ce que l’EHT ?

Nous en avons déjà parlé un peu dans l’article sur les trous noirs. Mais une petite piqure de rappel ne fait pas de mal !

L’Event Horizon Telescope est un projet ayant pour objectif d’observer et d’imager l’horizon des événements d’un trou noir. 

Normalement, vous avez lu mes articles avec attention donc vous savez ce que c’est. 

Mais dans le doute, voici un petit rappel. 

Horizon des événements

Je vous l’ai dit, un trou noir est si massif, qu’aucune lumière une fois absorbée ne peut en ressortir. 

En fait, il existe une limite autour du trou noir au-delà de laquelle toute lumière qui passe reste à jamais prisonnière. 

C’est cette limite que l’on nomme horizon des événements ou rayon de Schwarzschild. 

Je vais m’arrêter là pour le petit rappel.

Si vous souhaitez plus de détails, vous pouvez aller lire mon deuxième article sur les trous noirs. 

Principe de l’EHT

Revenons à notre projet. 

Je vous disais donc que l’objectif de ce dernier est d’imager l’horizon des événements d’un trou noir. 

Seulement, vous vous en doutez, ce n’est pas si simple que cela…

En effet, je vous l’ai déjà dit un trou noir c’est très petit.

De plus, même les plus proches sont situés à des années-lumière de nous… 

Pour obtenir une véritable image d’un trou noir supermassif, il faudrait donc disposer d’un télescope d’un diamètre équivalent à celui de la Terre. 

Non, ce n’est pas une blague ! 

Maintenant vous vous dites, « mais attends ils ont réussi à obtenir une image ? Donc ils en ont construit un ? ».

Et vous vous demandez comment il est possible qu’un tel projet ait vu le jour sans qu’on en entende parler. 

Rassurez-vous, les astronomes n’ont pas conçu de télescope de la taille de notre planète. 

En revanche, ils sont bien parvenus à imager un trou noir. 

Et c’est là que le projet EHT intervient. 

Ce dernier consiste en réalité à simuler un télescope du diamètre de la Terre en utilisant l’interférométrie. 

Pour se faire, les scientifiques ont construit plusieurs radiotélescopes un peu partout sur la planète. 

Ensuite, il « suffit » de les pointer tous vers le trou noir, en les synchronisant à l’aide d’horloges atomiques.

Enfin, il faut demander à un ordinateur de les assembler pour reconstituer une image. 

Vous vous en doutez, il ne s’agit pas d’un petit ordinateur comme celui que vous utilisez peut-être pour lire ceci. 

On reviendra d’ailleurs en détail sur la partie informatique du projet par la suite. 

Eh oui, que vous soyez fâchés ou non avec cette science, l’informatique joue un rôle essentiel dans cette découverte. 

Mais pour l’instant, revenons un peu sur le projet. 

Je vous ai parlé de radiotélescope, mais quel est cet étrange appareil ? 

Qu’est-ce qu’un radiotélescope ?

Vous savez tous ce qu’est un télescope, mais qu’est-ce qu’un radiotélescope ? 

Les télescopes que nous utilisons captent la lumière à l’aide de miroirs. 

Ce type de télescope est dit optique, car il fonctionne un peu comme nos yeux. 

En effet, ce que nous voyons nous c’est la partie dite visible de la lumière. 

C’est également cette partie de la lumière qu’un télescope optique renvoie. 

Mais en réalité, la lumière ne se compose pas que de ce que nous humains percevons. 

Il s’agit d’une onde électromagnétique. 

Une onde électromagnétique peut être décrite comme une sorte de vague. 

onde électromagnétique

Elle se caractérise par trois données : 

  • la distance entre chaque sommet de crête (longueur d’onde)
  • la hauteur de la crête
  • sa vitesse de déplacement

La plus intéressante d’entre elles pour nous est la longueur d’onde. 

C’est cette longueur d’onde qui détermine la couleur que nous percevons. 

En effet, la lumière peut être décomposée en plusieurs longueurs d’onde. 

Voici le spectre de la lumière visible : 

spectre de la lumière blanche

Et voici maintenant le spectre complet de la lumière : 

spectre électromagnétique

Vous voyez que la partie que nous percevons avec nos yeux d’humains n’est qu’une infime fraction de la lumière. 

Un radiotélescope comme son nom l’indique, permet d’observer la partie radio de la lumière. 

Mais alors à quoi cela sert-il ? 

Et comment arrivons-nous à utiliser des ondes que nos yeux ne peuvent percevoir ? 

Pourquoi les ondes radio ?

Si vous avez lu mon article sur les étoiles, vous savez que chaque longueur d’onde correspond à une température d’après la loi de Wien.

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Jusqu’ici tout va bien, je ne vous demande pas de le prouver, juste de le considérer comme vrai. 

Ainsi, chaque corps possédant une température plus ou moins élevée, il émet différents rayonnements, dans différentes longueurs d’onde. 

Partant de là, un corps froid émettra plutôt dans le domaine des ondes radio. 

Pour étudier ce corps, il est donc intéressant de capter les ondes radio qu’il diffuse. 

Voilà pourquoi, de façon très simplifiée, il est utile de considérer les ondes radio en astronomie. 

Voyons maintenant pourquoi dans ce cas précis ce sont les ondes radio qu’on a choisies. 

Première raison 

Nous en avons déjà parlé un peu avant, un trou noir est par définition invisible. 

Cependant, et heureusement pour nous, la puissance du champ gravitationnel d’un trou noir crée ce que l’on appelle un disque d’accrétion. 

Il s’agit d’un disque formé par de la matière en rotation très rapide autour du trou noir. 

La matière en approchant du trou noir se met à tourbillonner sous l’effet de l’attraction gravitationnelle puissante. 

En tournant ainsi, de plus en plus rapidement, la matière s’échauffe et devient brillante. 

disque accrétion d'un trou noir

Crédits : NASA’s Goddard Space Flight Center

Vous l’aurez compris, ce disque d’accrétion nous est précieux pour détecter un trou noir. 

Les scientifiques s’attendent en effet à trouver un disque lumineux très chaud, entourant une sorte de sphère noire. 

C’est donc la différence entre la luminosité du disque et l’absence de lumière au centre qui permet de déduire la présence d’un trou noir. 

Cependant, pour observer ce disque, on ne peut pas utiliser n’importe quel télescope. 

En effet, la matière en rotation autour du trou noir émet surtout dans les ondes radio. 

Il nous faut donc un appareil capable de capter ces ondes. 

C’est là que le radiotélescope entre en jeu. 

Mais ce n’est pas seulement pour cette raison. 

Deuxième raison

Je vous le disais au début, un trou noir est trop petit pour pouvoir être observé avec un simple télescope. 

Il faudrait un télescope géant, ce que les lois de la physique ne nous permettent évidemment pas. 

Nous avons vu que les scientifiques avaient trouvé une solution à ce problème avec le principe d’interférométrie. 

Cependant, le domaine de l’interférométrie est encore récent.

Il n’a pas encore été suffisamment développé ailleurs que dans les ondes radio. 

Les scientifiques sont donc encore confrontés à des limitations technologiques en ce qui concerne l’interférométrie. 

Par conséquent, il n’est pas possible de mener une étude dans le domaine optique.

Vous savez donc pourquoi ce sont les ondes radio qui ont servi pour ce projet. 

Maintenant vous allez me dire, bon d’accord c’est utile, mais nous on ne peut pas les percevoir ces ondes !

En effet, comment travaille-t-on avec des télescopes qui captent ces ondes ? 

Pas de panique, c’est ce que nous allons voir de suite ! 

Comment sont-elles interprétées ?

Vous savez que chaque longueur d’onde est associée à une couleur pour nous êtres humains. 

Le souci avec les ondes radio, c’est qu’elles nous sont invisibles. 

Mais, ce que l’on peut obtenir comme information ce sont les valeurs de longueur d’onde et donc de fréquence. 

En effet, chaque longueur d’onde correspond à une fréquence particulière. 

Ainsi, on peut construire une échelle de fréquence (ou de longueur d’onde) correspondant à une couleur déterminée.

Prenons un exemple pour que cela soit plus clair. 

Imaginons que l’on obtienne des fréquences comprises entre 230 et 450 GHz (ce sont les fréquences d’observations de l’EHT). 

Je sais que 400 nm (soit 749 500 GHz fréquence) correspond à une lumière violette dans le domaine visible. 

Par ailleurs, 800 nm est la longueur d’onde associée à une lumière rouge dans ce même domaine. 

À partir de là, rien ne m’empêche de reconstituer une correspondance artificielle entre les fréquences radio et les couleurs que l’on connait. 

Je peux ainsi décider que 450 GHz (environ 667 micromètres) correspond à une lumière violette et 230 à une lumière rouge. 

Oui, la plus grande fréquence correspond à la plus petite longueur d’onde, tout simplement, car elles sont inversement proportionnelles. 

Une peinture numérotée

Avez-vous déjà réalisé une peinture numérotée ? 

Vous savez ces peintures où le dessin est déjà tracé et où chaque petite portion à peindre est dotée d’un numéro correspondant à la couleur de la peinture ? 

peinture numérotée

Eh bien finalement, l’interprétation effectuée par un radiotélescope ce n’est ni plus ni moins qu’une peinture numérotée. 

Bon bien sûr, ces échelles sont réalisées par des ordinateurs. 

Ils déterminent les différents extremums (maximum et minimum) à traiter et à partir de l’étendue des fréquences, ils déterminent des paliers. 

Entre telle et telle fréquence, ce sera telle couleur, etc. 

Mais ne me faites pas dire ce que je n’ai pas dit !

Une longueur d’onde de 667 micromètres ne nous apparait pas violette ! Elle nous est invisible, nos yeux ne peuvent tout simplement pas la percevoir. 

Il s’agit donc uniquement d’une reconstruction artificielle, avec des couleurs que nos yeux perçoivent. 

Vous savez comment les radiotélescopes fonctionnent, mais au fait à quoi ressemblent-ils ? 

À quoi ressemble un radiotélescope ?

J’imagine que la plupart d’entre vous possède une parabole sur le toit de sa maison ou de son immeuble ? 

Si ce n’est pas le cas, je pense que vous en avez tous au moins déjà vue une ? 

Bon au cas où, comme je suis gentille en voici une : 

parabole

Maintenant que vous voyez bien ce qu’est une parabole, imaginez la même forme, légèrement plus grosse (mais vraiment pas beaucoup…) sur un pied. 

Je viens d’implanter dans votre tête l’image d’un radiotélescope ! 

Eh oui, je pratique le mentalisme ! 

Blague à part, en voici un vrai : 

radiotélescope

Ces télescopes vous paraissent peut-être énormes.

Mais sachez que lorsque l’on parle de radiotélescope, les diamètres deviennent vite très importants. 

Eh oui, à diamètre égal, un radiotélescope possède une résolution bien moins bonne qu’un télescope optique. 

À titre de comparaison, pour obtenir la même résolution qu’un télescope optique de 12 m, il faudrait un radiotélescope de 15 km de diamètre !

En effet, plus le diamètre du télescope est élevé plus la résolution angulaire est élevée. 

Mais vous vous doutez bien qu’il est physiquement impossible de construire des télescopes aussi gros.

Pour contrer ce problème, les scientifiques utilisent le principe d’interférométrie. 

Ne vous en faites pas on voit de suite de quoi il s’agit. 

Interférométrie

En réalité, nous en avons déjà un peu parlé au début de cet article. 

En effet, l’interférométrie correspond tout simplement à la combinaison de plusieurs télescopes.

Ceci afin d’obtenir un diamètre apparent plus élevé et donc une meilleure résolution. 

Pour rappel, la résolution correspond à la distance jusqu’à laquelle on peut distinguer deux points proches l’un de l’autre. 

C’est le principe qui est en fait utilisé à l’échelle planétaire par l’EHT.

Mais il est d’abord appliqué sur certains sites de radiotélescopes. 

En effet, comme je vous l’expliquais, la résolution d’un radiotélescope est beaucoup moins bonne que celle d’un télescope optique. 

Cela s’explique d’ailleurs de manière très simple ! 

La différence se situe tout simplement dans la taille des longueurs d’onde. 

Dans le cas d’un télescope dit optique (en lumière visible), les longueurs d’onde attendues mesurent entre 400 et 800 nm. 

Pour un radiotélescope en revanche, en fonction de la gamme d’observation, les longueurs d’onde utilisées mesurent entre 300 micromètres et 25 m pour les plus longues. 

C’est beaucoup plus important ! 

La différence de résolution s’explique par un phénomène physique bien connu : la diffraction. 

La diffraction

Lorsqu’une onde rencontre un objet ou une ouverture, elle subit une déviation non prévue par les lois de l’optique géométrique.

diffraction

Diffraction
Crédits : Nustem

Vous allez me dire ok, mais quel rapport avec la longueur d’onde ? 

Eh bien, ce phénomène est d’autant plus important que la taille de l’obstacle se rapproche de la longueur d’onde. 

Ainsi, pour ne pas subir les effets de la diffraction, il faut que le diamètre du radiotélescope soit largement supérieur à la longueur des ondes reçues. 

Seulement, les lois de la physique ne permettent pas de fabriquer des télescopes de trop gros diamètre. 

Par conséquent, pour obtenir une bonne résolution, les scientifiques combinent différents radiotélescopes distants les uns des autres. 

interférométrie

Interféromètre de l’ALMA
Crédits : NRAO/AUI/NSF

Cela leur permet de posséder un diamètre équivalent beaucoup plus important et donc une meilleure résolution. 

Ce principe est donc utilisé à très grande échelle pour le projet EHT.

Mais ce n’est pas tout ! 

Il est également mis en pratique au sein des sites de radiotélescopes en eux-mêmes. 

Eh oui, l’exemple le plus notable étant celui du site ALMA qui regroupe 66 radiotélescopes ! 

Maintenant que les radiotélescopes n’ont plus aucun secret pour vous, revenons au projet.

Les télescopes de l’EHT

Le projet comprend actuellement huit télescopes.

Voici une carte de ces derniers :

carte EHT

Télescopes de l’Event Horizon Telescope

3 sont en projet ou en cours de construction pour venir s’y ajouter.

Il s’agit du Greenland Telescope, du NOEMA et d’un nouveau télescope de l’ARO. 

Description des télescopes ayant imagé le trou noir

Ce qui nous intéresse nous, ce sont seulement les huit qui ont servi à produire la fameuse image. 

Il s’agit de : 

  • l’APEX
  • l’ALMA
  • le JMCT
  • le SMA
  • le South Pole Telescope
  • l’IRAM
  • le SMT
  • le LMT
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Puisque ce sont aussi un peu eux les héros de cette histoire, laissez-moi vous les présenter rapidement. 

APEX

L’APEX ou Atacama Pathfinder Experiment se situe sur le site de Llano du Chajnantor au Chili. 

Il trône à 5 100 m d’altitude, au même endroit que l’ALMA que nous verrons juste après. 

Ce radiotélescope a été inauguré en 2006. 

Il mesure 12 m de diamètre et est en réalité un prototype de l’ALMA. 

Il est sensible aux longueurs d’onde comprises entre 0,2 et 2 millimètres. 

ALMA

L’ALMA ou Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array est un réseau de radiotélescopes. 

Il est ainsi constitué de 66 antennes : 12 de 7 m et 54 de 12 m de diamètre. 

Il opère dans le domaine des ondes millimétriques. 

Pour être plus précise, les longueurs d’onde captées mesurent entre 10 mm et 1 cm. 

Il a été inauguré en 2013, même s’il avait déjà commencé à imager auparavant. 

Comme je vous le disais juste avant, il est situé au même endroit que l’APEX, au Chili. 

Sa participation au projet EHT a été très importante en raison des nombreux télescopes qui le constituent. 

JCMT

Le James Clerk Maxwell Telescope (ou JCMT) se situe sur l’île d’Hawaï. 

Plus précisément, au sommet du Mauna Kea à plus de 4 000 mètres d’altitude. 

Son antenne mesure 15 m de diamètre et est utilisée depuis 1987. 

SMA

Le Submillimeter Array (SMA) est un réseau de 8 radiotélescopes de 6 m de diamètre. 

Il est également situé à l’observatoire du Mauna Kea sur l’île d’Hawaï. 

South Pole Telescope

Le South Pole Telescope est comme son nom l’indique situé au pôle Sud. 

Plus précisément, il se trouve à la station polaire Amundsen-Scott. 

Ce radiotélescope a été mis en service en 2007. 

Il possède un diamètre de 10 m et a donné pas mal de fil à retordre à l’équipe…

Mais je vous raconterai tout cela plus tard. 

LMT

Le Large Millimeter Telescope (ou grand télescope millimétrique en français) se trouve au Mexique. 

Avec ces 50 m de diamètre, il est le plus grand de sa catégorie ! 

Il permet de capter des ondes de longueur comprises entre à 0,85 mm et 4 mm. 

Pour ce qui est de sa mise en service, celle-ci date de 2010 seulement. 

Ce gigantesque télescope est situé au sommet de la Sierra Negra, à 4 580 mètres d’altitude. 

Ce volcan éteint est le cinquième sommet le plus haut du pays. 

SMT

Le SMT ou HHSTO pour Heinrich Hertz Submillimeter Telescope Observatory se situe dans l’Arizona. 

Ce dernier ne mesure que 10 m de diamètre et se trouve à 3 185 m d’altitude. 

Il est géré conjointement par l’Université d’Arizona et l’institut Max-Planck de radioastronomie. 

IRAM

Je vous ai gardé le plus intéressant pour la fin ! 

En effet, l’IRAM pour Institut de Radioastronomie Millimétrique est un projet franco-allemand. 

Cet institut a été fondé en 1979 par le CNRS français et le MPG (Max Planck Gesellschaft) allemand. 

Ces deux pays collaborateurs ont été rejoints en 1990 par l’Espagne. radiotélescope

Maintenant vous vous demandez quel rapport il peut bien y avoir entre un institut et l’EHT. 

Eh bien, l’institut dispose de deux sites de radiotélescopes, l’un en France et l’autre en Espagne. 

Ce n’est cependant que le site espagnol qui a servi pour l’obtention de la première image d’un trou noir. 

Ce dernier dispose d’un radiotélescope de 30 m de diamètre, qui capte des ondes entre 0,8 et 3 mm. 

Il est situé dans la Sierra Nevada au sud de l’Espagne à une altitude de 2 850 m. 

Vous connaissez à présent un peu mieux les appareils ayant conduit à cette première image de trou noir.

Il est temps pour nous d’aller découvrir les difficultés techniques qui ont bordé le travail des scientifiques. 

Difficultés techniques

Nous avons vu ensemble le principe du projet et les caractéristiques des appareils le composant. 

Mais vous vous en doutez, il ne suffit pas de construire quatre télescopes aux quatre coins du globe. 

Non, il faut aussi les synchroniser par exemple, pour qu’ils pointent tous le même objet au même moment. 

C’est ce que je vous emmène voir à présent !

Synchronisation des observations

horloge comtoise

Horloge comtoise

Pour que le principe d’interférométrie puisse être utilisé, il est absolument nécessaire que les télescopes soient synchronisés temporellement.

Et quand je dis synchronisés, je ne parle pas d’une synchronisation à la minute ni à la seconde près. 

Non, les télescopes du projet EHT ont été synchronisés à la nanoseconde près !

Oui, vous avez bien lu ! 

Mais pour arriver à une telle précision, vous imaginez bien que les astronomes n’ont pas utilisé une horloge comtoise ! 

horloge atomique

Horloge atomique Crédits : NASA/JPL

Non, pour parvenir à ce résultat, les télescopes sont synchronisés à l’aide d’horloges atomiques. 

Je ne m’attarderai pas ici sur le fonctionnement de ce type d’horloge, l’article deviendrait interminable. 

Je vous laisse néanmoins le soin d’aller regarder une petite description des horloges atomiques, si cela vous intéresse.

Nous, de notre côté, nous allons découvrir une deuxième difficulté. 

Choix de l’emplacement

Parmi les difficultés techniques rencontrées, on peut citer le choix de l’emplacement. 

En effet, les ondes radio permettent d’observer des phénomènes imperceptibles en lumière visible. 

Cependant, contrairement à cette dernière qui n’est que très peu absorbée par l’atmosphère, les ondes radio elles le sont. 

Surtout une certaine partie de ces ondes, les millimétriques et submillimétriques. 

Et ce sont justement ces dernières qui servent au projet EHT. 

Ainsi, en raison de la présence de vapeur d’eau dans l’atmosphère, il est très difficile de capter ces ondes.

Une solution pour contrer ce problème est l’utilisation de télescopes spatiaux. 

Cependant, cela coûte extrêmement cher de lancer un télescope dans l’espace. 

De plus, l’envoi d’un télescope dans l’espace est soumis à des difficultés techniques ne permettant pas d’envoyer un trop gros appareil. 

L’option du télescope spatial n’est donc pas la bonne.

La dernière solution consiste à choisir des lieux situés en altitude dans des régions où l’atmosphère est sèche (pauvre en eau). 

C’est le cas par exemple de sites comme l’ALMA, où le climat est désertique et où le ciel est dépourvu de nuages quasiment toute l’année. 

ALMA

ALMA

Par ailleurs, les radiotélescopes se situent à plusieurs milliers de mètres d’altitude. 

L’atmosphère traversée par les ondes y est donc moins épaisse réduisant encore le risque d’absorption. 

Mais, ce problème de climat est aussi à l’origine d’une autre difficulté technique !

En effet, il faut également une concordance de la météo sur l’ensemble des sites. 

Concordance de la météo

Eh oui, pour obtenir un télescope dont le diamètre apparent est équivalent à celui de la Terre, il faut des télescopes un peu partout. 

Le problème engendré par cela est que la météo n’est pas la même à chaque instant à chaque endroit. 

Par ailleurs, nous venons de voir que les ondes radio nécessitaient un ciel dégagé et une atmosphère sèche pour être captées. 

De plus, nous savons également que les observations doivent être synchronisées pour pouvoir exploiter les résultats. 

Par conséquent, l’une des difficultés techniques réside dans la synchronisation de la météo sur chaque site au même moment. météo mondiale

Imaginez un peu, nous qui nous plaignons déjà souvent de la météo en tant qu’astronomes amateurs ! 

Heureusement, un des avantages des radiotélescopes est qu’ils peuvent opérer de jour comme de nuit. 

Contrairement aux télescopes optiques qui eux ne peuvent fonctionner que de nuit. 

Cela laisse donc une plage d’observation possible plus large. 

Ainsi, les scientifiques parviennent à trouver des périodes où la météo est clémente dans chacun des sites. 

De cette manière, chaque année les scientifiques de l’EHT procèdent à des campagnes d’observations. 

Ces campagnes ont généralement toutes lieues entre mars et avril. 

Elles se déroulent sur 10 jours durant lesquels les différents sites n’ont d’yeux que pour les trous noirs. 

Sur ces 10 jours, 5 sont sélectionnés pour être traités et étudiés par la suite. 

Cependant, trouver une phase de beau temps commune ne suffit pas ! 

Eh oui, après l’acquisition des données, celles-ci doivent être regroupées dans un centre de traitement. 

Par ailleurs, les données recueillies prennent des milliers de téraoctets.

Impossible donc de les transférer via internet. 

Ainsi, le meilleur moyen d’acheminer ces données réside dans le transport aérien. 

Vous le voyez venir le problème ? 

Transport aérien

Eh oui, mars/avril au pôle Sud signifie nuit polaire ! 

En effet, à partir de mars jusqu’au mois de septembre, le jour ne se lève pas en Antarctique. 

Cela correspond à l’automne et l’hiver là-bas.

nuit polaire

Nuit polaire

Mais ce n’est pas tout, là-bas dans ces conditions, impossible de faire voler des avions ! 

Il faut donc attendre patiemment que cela passe pour pouvoir envoyer les précieuses données aux centres de traitement. 

Mais l’hiver c’est long, encore plus au pôle Sud…

Et bien évidemment impossible de commencer le traitement des données sans que l’intégralité d’entre elles ne soient arrivées. 

Cela commence à faire un peu beaucoup d’obstacles vous ne croyez pas ? 

Heureusement, rien n’arrête nos scientifiques qui sont venus à bout une par une de chaque difficulté. 

Tout cela dans le but d’obtenir cette merveilleuse image de trou noir.

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Cela ne nous explique toujours pas comment ils ont fait pour obtenir une telle image à partir de leurs télescopes !

Il est temps pour nous d’aller voir un peu du côté de l’informatique pour comprendre tout cela. 

Quand l’informatique rencontre l’astronomie

Résumons un peu tout ce que nous avons appris pour l’instant. 

Nous savons que l’image est née d’un projet : l’EHT. 

Ce dernier consiste à reproduire un télescope d’un diamètre équivalent à celui de notre planète via l’interférométrie. 

Pour se faire, de nombreux radiotélescopes éparpillés aux quatre coins du globe ont été synchronisés. 

Une fois la météo propice aux observations sur chaque site, tous les télescopes ont imagé le même trou noir. 

Les données ont été pré-traitées sur place avec ce que l’on appelle des FPGA. 

Il s’agit de circuits logiques programmables. 

Je ne vais bien sûr pas rentrer dans trop de détails sur le sujet, ce serait trop long. 

Sachez simplement qu’il y a grossièrement deux manières d’effectuer des calculs informatiques. 

La première consiste à modifier directement les composants physiques de l’appareil. C’est ce principe qui est utilisé avec les FPGA. 

La deuxième réside dans la programmation de ces composants, à l’aide de code. 

Dans ce cas, le développeur ne modifie pas l’architecture physique de la machine. 

Il se contente de modifier la partie logicielle. 

Les membres de l’équipe travaillent également avec des GPU. 

Ce sont des processeurs graphiques qui eux sont programmés au niveau logiciel. 

Mais, ces derniers sont moins puissants et moins économes en énergie. 

Le pré-traitement a donc été réalisé essentiellement avec des FPGA même s’ils sont plus difficiles à programmer. 

Je vous laisse le soin d’aller visiter les différents liens que je vous laisse pour en apprendre plus. 

Poursuivons notre périple. 

Après plus de six mois d’attente, les données sont enfin toutes arrivées dans les deux centres de traitement. 

Ces derniers sont situés respectivement à Bonn en Allemagne et à Haystack aux États-Unis. 

Ils disposent tous deux de supercalculateurs, qui leur ont permis de reconstituer l’image. 

Mais alors, qu’est-ce qu’un supercalculateur ? 

Supercalculateur

Nous n’allons bien sûr pas rentrer dans tous les détails liés à l’informatique ici. 

Mon objectif est simplement de vous donner les bases pour comprendre la complexité derrière cette image. 

Quelques bases d’informatique

Que vous lisiez cet article sur votre téléphone, votre tablette ou un ordinateur, le principe reste le même. 

L’appareil que vous avez entre les mains fonctionne avec ce que l’on appelle un processeur.

processeur

Processeur

Ce dernier est l’une des pièces les plus importantes, sans lui pas d’ordinateur ! 

En effet, chaque petite tâche que vous effectuez sur un ordinateur correspond pour ce dernier à une opération. 

Cette opération est gérée par le processeur. 

C’est lui qui s’occupe d’effectuer les bons calculs et de convertir les résultats en une action compréhensible. 

Cependant, chaque tâche correspond à un calcul différent et ne possède pas la même complexité. 

Ainsi, certaines tâches sont plus difficiles à réaliser que d’autres. 

Elles prennent plus de temps et d’énergie au processeur. 

Pour nous, utilisateurs lambdas, cela n’a guère d’importance, nous ne nous en rendons pas compte. 

Mais pour les scientifiques qui ont besoin d’effectuer des tâches et des opérations compliquées, c’est une autre histoire. 

Ils ont besoin d’ordinateurs puissants, très puissants. 

C’est là qu’entre en jeu notre supercalculateur, aussi appelé superordinateur. 

Qu’est-ce qu’un supercalculateur ?

Il s’agit tout simplement d’un ordinateur créé pour atteindre des performances, généralement de calcul, très élevées. 

Si vous souhaitez en apprendre plus sur eux, voici quelques explications sur les supercalculateurs.

Bien sûr, vous imaginez bien que ces ordinateurs ne ressemblent en rien à celui que vous avez l’habitude d’utiliser. 

Voici une petite idée de ce à quoi ils peuvent ressembler : 

superordinateur

Supercalculateur Pléiades
Crédits : NASA

Celui-ci est un supercalculateur de la NASA nommé Pléiades, situé à l’Ames Research Center en Californie. 

Nous savons ce qu’est un supercalculateur, mais voyons de plus près pourquoi ils ont été indispensables ici. 

L’algorithme

Vous demandez peut-être pourquoi les scientifiques ont eu besoin d’une telle machine pour obtenir cette image. 

Cela est dû à l’utilisation de l’interférométrie. 

En effet, les astronomes ont certes réussi à simuler un télescope de la taille de la Terre, mais ce n’est que virtuel. 

Eh oui, il y a des trous dans ce télescope ! 

Pour pouvoir tirer profit de ces images, il faut bien les assembler correctement. 

La constitution d’une image à partir de ces données correspond tout bonnement à la résolution d’un puzzle géant. 

Les pièces sont les images provenant des différents télescopes. 

Malheureusement, ce n’est pas vraiment le genre de puzzle que l’on résout avec ses enfants le dimanche après-midi !

Ce type de puzzle nécessite… un algorithme informatique !

Pardon ?! 

Qu’est-ce qu’un algorithme ?

Un algorithme est un ensemble d’instructions réalisées dans un ordre précis qui permettent de résoudre un problème. 

On compare souvent les algorithmes à des recettes de cuisine. 

En effet, lorsque vous préparez un gâteau, vous suivez une recette. 

Cette dernière vous donne une liste précise d’ingrédients nécessaires ainsi qu’une liste d’étapes à suivre. programmation

Eh bien, le fonctionnement d’un algorithme est similaire. 

Il s’agit d’une liste d’étapes, ou d’opérations, permettant d’obtenir un résultat précis (comme le gâteau). 

Bien évidemment, un algorithme informatique ne vous préparera pas de gâteau !

Mais l’analogie avec la recette permet de mieux comprendre le principe. 

Description de l’algorithme de l’EHT

Les données sont donc beaucoup trop complexes pour être analysées par des humains. 

On a donc fait appel à un supercalculateur. 

Mais avant, il a bien fallu donner des instructions précises à celui-ci. 

Eh oui, un ordinateur, aussi puissant soit-il, ne sait pas faire grand-chose si on ne lui dit pas ce qu’il doit faire !

L’équipe du projet EHT ne regroupe donc pas simplement des astrophysiciens, astronomes et autres ingénieurs…

Il comporte aussi toute une équipe d’informaticiens, qui eux sont chargés de développer, créer, l’algorithme utilisé. 

D’ailleurs, si vous pensiez que le plus dur avait été fait, vous vous trompez. 

Selon Geoffrey Bower, vice-président du projet, l’étape la plus compliquée a été la reconstruction de l’image via l’algorithme. 

Reconstitution de l’image du trou noir

Après avoir finalement rassemblé toutes les données, soit plus de 4 pétaoctets, il faut les traiter avec les ordinateurs. 

Afin de limiter le risque d’erreur de l’algorithme, les données ont été passées et repassées plusieurs fois dedans. 

Par ailleurs, je vous ai parlé de deux sites distincts. 

Eh bien, chacun des deux sites a travaillé de manière indépendante. 

En effet, les données ont été analysées via le même algorithme en parallèle, afin d’obtenir deux résultats indépendants. 

Cela permet de comparer les résultats. 

S’ils sont identiques, il y a de fortes probabilités pour que l’algorithme ait fonctionné. 

S’ils sont différents, il faut recommencer pour savoir lequel des deux est correct.

Souvenez-vous de la première détection d’ondes gravitationnelles par le LIGO. ligo

Elles avaient été détectées en septembre 2015, mais les résultats n’ont été rendus publics qu’en février 2016. 

Par ailleurs, le LIGO comporte deux sites géographiquement indépendants. 

Tout ceci dans le but de vérifier que la détection n’était pas une erreur avant de la rendre publique. 

La majorité des expériences ou observations scientifiques respectent ce même principe. 

Elles sont vérifiées sur différents sites ou appareils lorsque cela est possible et surtout à plusieurs reprises. 

Cela réduit les possibilités d’erreurs. 

Imaginez un peu que l’on prévoit six conférences de presse simultanées pour présenter une image qui en réalité s’avère ne pas être correcte !

Chaque découverte scientifique s’accompagne donc d’une vérification minutieuse avant d’être publiée. 

Pour en revenir à notre algorithme, au total c’est plus de 800 processeurs qui ont été utilisés pour le faire tourner. 

Nous sommes très loin des ordinateurs de bureau !

Pour conclure

J’espère que vous comprenez mieux les conditions qui ont permis l’obtention de cette image de trou noir.

Moi, je vous donne rendez-vous dans un prochain article pour enfin la découvrir !

Au programme, une description du trou noir présent sur l’image et des détails observables. 

Nous découvrirons aussi ce que cette image va apporter à la science ainsi que le futur du projet EHT. 

En bonus, les réponses aux questions que vous vous posez sur le projet ou sur l’image. 

Si vous avez une question, posez-la-moi en commentaires de cet article, j’y répondrais dans la deuxième partie. 

En attendant de découvrir les secrets de l’image, n’oubliez pas de garder la tête dans les étoiles. 

Cet article est essentiellement fondé sur des recherches personnelles dans des livres et magazines scientifiques ainsi que des documentaires. Il est néanmoins possible que certaines informations ne soient pas tout à fait exactes ou qu’elles soient incomplètes.

Si vous en voyez, nous tenons à nous excuser et nous serions ravies que vous nous le fassiez savoir dans les commentaires.

 

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