Première photo d’un trou noir : l’image en détail

Bienvenue dans ce deuxième article consacré à la première image d’un trou noir. 

Dans la première partie, je vous expliquais comment les scientifiques sont parvenus à obtenir cette première image. 

Mais, je ne vous ai toujours pas montré cette fameuse image ! 

Il est temps de découvrir le sujet de ces deux articles…

Cependant, avant de le faire, je conseille aux personnes n’ayant pas encore lu la première partie d’aller y jeter un œil. 

C’est fait ? 

Super ! 

À présent, je vais pouvoir vous présenter l’image et surtout ce qu’elle représente ! 

La première image d’un trou noir

La plupart d’entre vous ont déjà dû la voir… Mais je ne pouvais pas y consacrer deux articles sans au moins vous la montrer une fois ! 

Vous êtes prêts ? 

Voici la toute première image d’un trou noir !

photo-trou-noir

Crédits : Event Horizon Telescope Collaboration

Quand je dis « toute première », certains me diront « mais des images de trous noirs, il y en a déjà plein ». 

Effectivement, je n’ai pas encore éclairci ce point. 

Les images que vous avez pu voir avant le 10 avril 2019 ne sont que des représentations artistiques. Ou des simulations de trou noir. 

L’image que vous avez vue juste au-dessus en revanche, est une véritable image, d’un trou noir supermassif. 

Ce trou noir supermassif, c’est M87*. 

Oui, je sais, vous êtes déçus, il ne s’agit pas de Sagittarius A* notre trou noir central. 

Mais séchez vos larmes, cela représente tout de même d’une avancée extraordinaire pour la science ! 

Voyons un peu dans les détails ce que représente cette image. 

Que représente cette image ?

Je vous l’ai dit, le trou noir sur l’image est M87*. 

Il s’agit du trou noir supermassif se trouvant au centre de la galaxie M87. 

Avant de découvrir un peu plus le trou noir, partons un peu à la découverte de cette galaxie. 

M87

constellation-viergeCette dernière est une galaxie elliptique supergéante située dans la constellation de la Vierge. 

 

Plus précisément, elle se trouve à quelque 53 millions d’années-lumière de nous. 

Il s’agit de la plus grande galaxie elliptique la plus proche de nous.

galaxie-elliptique

Galaxie elliptique Crédits : ESA/Hubble & NASA

Par ailleurs, cette galaxie est la plus lumineuse de l’amas de la Vierge. 

Pour les amateurs d’observation, sachez que sa magnitude est de 9,59. 

Je pourrais bien évidemment continuer longtemps sur cette galaxie. Comme beaucoup d’objets célestes, elle possède de nombreuses histoires à nous raconter. 

Cependant, si vous êtes ici, je crois que c’est plutôt pour en apprendre plus sur un autre objet…

Le trou noir supermassif qui occupe le centre de M87 ! 

Et surtout, la star des trous noirs, le premier à avoir accepté de se laisser prendre par les paparazzis ! 

Sans plus attendre, voici ce que vous devez savoir de ce fameux M87*.

M87*

Comme nous venons de le voir, ce trou noir se trouve au centre de M87. 

Enfin, en réalité pas tout à fait…

Eh non, le petit coquin se déplace ! 

En effet, il se situe à environ 82 années-lumière du centre de la galaxie. 

Ce décalage serait dû à un jet de plasma émis par le trou noir. 

Effectivement, ce dernier produirait un jet s’étendant sur 5 000 années-lumière.

Il serait dirigé dans la direction opposée à son décalage par rapport au centre galactique. 

Un peu comme la fumée d’une fusée qui part vers le bas tandis que la fusée monte. 

Toutefois, notez qu’il ne s’agit que d’une hypothèse parmi d’autres concernant l’origine de ce décalage. 

En ce qui concerne sa masse, plus besoin d’hypothèses !

En effet, elle est estimée à 6,5 milliards de fois celle du Soleil, de façon encore plus précise grâce à l’image. 

 À ce stade, il nous est impossible de nous rendre compte de ce que cela donne réellement. 

Notre cerveau de petits êtres humains ne peut pas appréhender de si grandes échelles. 

Retenez donc surtout qu’il est vraiment… supermassif ! 

Une telle masse pourrait laisser penser qu’il occupe une place énorme au sein de la galaxie.

Eh bien, oui mais nan !

Ce serait sans compter sa nature de trou noir. 

En effet, par définition un trou noir correspond à une énorme quantité de matière contenue dans un espace extrêmement restreint. 

Ainsi, si M87* est plusieurs milliards de fois plus massif que notre étoile, il n’est que 27 000 fois plus gros environ. 

Avec ces 38 milliards de kilomètres de diamètre, contre 1 392 684 en moyenne pour le Soleil. 

À présent, vous connaissez mieux M87*. 

Cependant, je sens qu’il vous reste une question…

Pourquoi n’a-t-on pas choisi Sagittarius A* pour cette première photo ? 

Pourquoi pas Sagittarius A* ?

Sagittarius A* étant le trou noir central de notre galaxie, il est effectivement plus proche de nous que M87*. 

Il paraît donc encore plus étrange que ce ne soit pas lui qui figure sur la première image d’un trou noir. 

Mais en réalité, vous allez voir que l’explication est on ne peut plus logique. 

Sagittarius A* est effectivement 1000 fois plus proche de nous que M87*. 

Cependant, M87* est lui 1000 fois plus gros que Sagittarius A*.

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Ainsi vu de la Terre, son ombre mesure la même taille.

Ce n’est donc pas une question de proximité ou de taille. 

Enfin, si un peu. 

De taille surtout. 

La masse importante de M87* a pour conséquence que sa rotation sur lui-même est plusieurs milliers de fois moins rapide que celle de son copain. 

Vous avez déjà essayé de prendre une toupie en pleine rotation en photo ? 

toupie

Le résultat n’est pas terrible, avouez-le ! 

On distingue une forme toute floue, impossible de voir un seul détail de cette fameuse toupie. 

Eh bien, pour Sagittarius A*, avec les moyens actuels, cela aurait été pareil. 

Il tourne beaucoup trop rapidement pour que l’on puisse obtenir une photo suffisamment nette. 

Pour étudier les trous noirs, mieux vaut posséder une image de la meilleure qualité possible, vous ne croyez pas ? 

C’est donc tout simplement pour cela que l’heureux élu a été M87*. 

Tout est une question de rotation !

J’espère que vous comprenez mieux à présent ce choix de cible. 

Cependant, nous n’avons pas encore décrit ce que nous pouvons voir concrètement sur l’image. 

Il est donc temps pour nous de regarder d’un peu plus près cette dernière. 

L’image en détail

Si vous avez vu le film Interstellar ou toute autre simulation ou vue d’artiste d’un trou noir, vous avez peut-être été déçus.

simulation trou noir

Vue d’artiste d’un trou noir VS Véritable image

En effet, à première vue cette photo peut paraître floue ou peu impressionnante. 

Pourtant, elle présente de nombreux éléments intéressants pour les scientifiques.

Vous n’êtes pas convaincus ? 

Laissez-moi vous montrer ! 

Lorsque vous regardez l’image, vous voyez certainement un disque lumineux flou au centre duquel se trouve un cercle noir. 

Cette image est donc pour vous une sorte de donut lumineux flou. 

Mais en réalité, elle laisse apparaître plusieurs parties caractéristiques d’un trou noir. 

Voyons ensemble la première. 

Disque d’accrétion

Nous en avons parlé rapidement dans l’article précédent, le champ gravitationnel puissant d’un trou noir forme un disque d’accrétion. 

Ce disque correspond à de la matière qui, du fait de sa rotation rapide imposée par la masse du trou noir, s’échauffe. 

Celle-ci atteint plusieurs millions de degrés Celsius. 

Cette température s’accompagne évidemment d’un rayonnement important.

C’est d’ailleurs une des caractéristiques des trous noirs qui nous permettent de les repérer. 

Ainsi, le cercle lumineux flou autour du centre noir sur l’image représente le disque d’accrétion. 

Vous avez sans doute remarqué que ce dernier apparaît plus brillant sous l’ombre du trou noir. 

Cela est dû à la position de l’observateur par rapport au trou noir. 

En effet, je vous ai dit que le disque d’accrétion correspondait à de la matière en rotation autour du trou noir. 

Ainsi, une partie de celle-ci s’éloigne de nous tandis qu’une autre se rapproche. 

Cela provoque ce que l’on appelle l’effet Doppler. 

Effet Doppler

Cet effet bien connu se constate notamment lorsqu’un camion de pompier passe devant vous. 

Lorsqu’il est loin et qu’il s’approche de vous, la sirène est plus aiguë que lorsqu’il s’éloigne. 

Ainsi, lorsqu’une onde (mécanique ou électromagnétique) est en mouvement par rapport à un récepteur (observateur), sa fréquence se trouve modifiée. 

Ce principe est donc valable pour la lumière, qui est une onde électromagnétique. 

C’est d’ailleurs lui qui est responsable du redshift ou blueshift.

Dans notre cas, la partie la plus brillante correspond donc à de la matière qui s’approche de nous. 

Mais, ce n’est pas la seule information que nous apporte cette image.

Contrairement à ce que l’on aurait pu attendre, nous n’observons pas de disque d’accrétion traverser le trou noir en son milieu. 

trou-noir-interstellar

Crédits : Interstellar

Souvenez-vous, dans le film Interstellar une partie du disque d’accrétion traverse horizontalement le trou noir. 

Eh bien, son absence nous indique tout simplement que nous observons l’objet depuis une position proche d’un de ses pôles. 

Voyons maintenant un autre élément caractéristique des trous noirs que l’on peut repérer sur cette image. 

Dernière orbite circulaire stable

La dernière orbite circulaire stable correspond à l’orbite circulaire la plus proche d’un trou noir qu’un objet peut avoir sans tomber dedans. 

Cela peut paraître un peu compliqué dit comme cela, mais vous allez voir c’est en fait simple. 

Lorsqu’un corps tourne autour d’un autre corps plus massif, il est attiré par lui. 

C’est le cas de la Terre avec le Soleil. 

Seulement, notre orbite autour de notre étoile est dite stable, nous ne tombons pas vers le Soleil. 

Mais, en fonction de la masse de l’objet, il existe une distance à partir de laquelle l’orbite n’est plus stable. 

Un corps qui orbiterait à une distance inférieure finirait par « tomber » sur l’autre corps. 

Ainsi, il existe une orbite au-delà de laquelle un objet ne pourrait pas échapper à l’attraction du trou noir. 

Cette orbite c’est la dernière orbite circulaire stable. 

On l’appelle également ISCO de l’anglais Innermost Stable Circular Orbit. 

Et celle-ci est visible sur l’image !

Tout comme un autre élément intéressant…

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La sphère de photons ! 

Sphère de photons

La sphère de quoi ? 

Si vous avez lu mes deux articles sur les trous noirs, vous savez que je n’en ai encore jamais parlé. 

Mais pas de panique, on va voir ce que cette expression désigne de suite ! 

Qu’est-ce que la sphère de photons ?

La sphère de photons est une limite située à 1,5 fois le rayon de Schwarzschild.

Pour rappel, le rayon de Schwarzschild est aussi appelé horizon des événements. 

La sphère de photons correspond à la distance à laquelle les photons qui arrivent sur le trou noir se mettent en orbite autour de lui. 

Imaginez un photon se déplaçant en ligne droite. 

Sur sa trajectoire se trouve le trou noir. 

Le photon s’en rapproche, encore et encore. 

Au bout d’un moment, la distance entre le photon et le trou noir est telle que la particule se met en orbite autour du trou noir. 

gif-trou-noir

Illustration de la sphère de photons (Les échelles de tailles ne sont bien entendu pas respectées)

Le photon peut encore échapper au trou noir, raison pour laquelle cette limite se distingue de l’horizon des événements. 

En effet, à cette distance, la vitesse de libération est encore légèrement inférieure à celle de la lumière. 

Ainsi, le photon n’est pas encore prisonnier du trou noir, il peut encore fuir. 

Cependant, le photon est en danger sur cette limite. 

En effet, cette sphère est très instable. 

La moindre perturbation peut provoquer l’éjection du photon. 

Soit vers l’extérieur de la sphère soit vers l’intérieur. 

Dans ce dernier cas, le photon dépasse l’horizon des événements et il ne pourra jamais revenir en arrière.

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Éjection du photon vers le trou noir
Remarque : Aucun photon n’a été maltraité durant l’écriture de cet article !

Vous l’aurez compris, mieux vaut ne pas se retrouver dans cette zone lorsque l’on est un petit photon !

Différence entre sphère de photons et ISCO

Dernière petite ambiguïté à lever : quelle est la différence entre la sphère de photons et la dernière orbite circulaire stable ? 

Je vous disais que la sphère de photons était très instable. 

Eh bien, voilà ! 

Contrairement à la sphère de photons, un objet en orbite autour du trou noir dans la dernière orbite circulaire stable ne risque pas de tomber à tout moment dans le trou noir. 

Il peut rester en rotation comme cela pendant très longtemps. 

Jusqu’à ce que, par exemple, le trou noir ait absorbé davantage de matière et que sa masse ait augmenté suffisamment pour que la dernière orbite stable recule. 

À ce moment-là, l’objet qui orbitait se retrouve trop près du trou noir et… paf. 

Il nous reste un dernier élément visible sur l’image : l’horizon des événements ! 

Horizon des événements et singularité

Cela paraît presque un peu idiot à dire étant donné le nom du projet, mais c’est effectivement le cas. 

Je ne pense pas qu’il soit nécessaire à ce stade de l’article de redéfinir de quoi il s’agit ! 

Mais comme nous faisons la liste des éléments observables sur l’image, je me devais de l’évoquer !

Pour finir, la partie noire au centre correspond à l’ombre du trou noir.

Au centre de celle-ci se trouve la singularité. 

Par ailleurs, l’ensemble de notre Système solaire pourrait tenir dans la zone d’ombre de M87*. 

Nous avons du mal à nous en rendre compte en regardant ce petit disque, mais c’est bel et bien le cas. 

Voici l’image annotée pour bien distinguer ces différentes parties : 

photo-trou-noir-schema

Vous comprenez à présent mieux ce que représente cette image ! (Enfin je l’espère…)

Mais vous ignorez encore ce qu’elle va apporter à la science. 

C’est ce que nous partons découvrir tout de suite !

Retombées pour la science

Bien évidemment, en dehors de l’exploit scientifique à l’origine de cette image, c’est également une avancée dans la compréhension des trous noirs. 

En effet, pour la première fois les scientifiques vont pouvoir étudier un véritable trou noir !

Et non plus une simulation sur ordinateur. 

La photo leur a déjà permis d’estimer plus précisément la masse de M87*, ainsi que sa taille. 

Ils savent désormais que M87* possède une masse de 6,5 milliards de fois celle du Soleil.

De plus, elle leur permet de confirmer la plupart de leurs théories au sujet des trous noirs. 

L’un des objectifs maintenant est de vérifier la théorie de la relativité générale. 

Cette image exceptionnelle va permettre aux scientifiques de la mettre à l’épreuve sur un véritable objet massif !

Et non plus seulement une simulation. 

Par ailleurs, elle confirme une bonne fois pour toutes l’existence de trous noirs. 

Et rien que cela c’est incroyable ! 

Il reste encore tellement de mystères autour de ces objets. 

Cette image ainsi que les futures autres vont très certainement permettre de grandes avancées dans leur compréhension. 

En attendant, je souhaiterais faire une petite parenthèse sur l’équipe qui a permis l’obtention de cette image. 

L’équipe

Si vous avez un peu suivi l’actualité autour de cette découverte, vous avez dû voir l’image d’une scientifique en particulière. 

Mais elle n’était évidemment pas la seule à travailler sur ce projet.

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Nous allons donc nous arrêter quelques instants sur l’équipe de plus de 200 personnes qui ont permis l’obtention de cette image. 

Les médias mettent souvent en avant un ou une seul(e) scientifique lors de découverte comme celle-là. 

C’est dommage quand on sait que des dizaines ou centaines d’autres ont participé ! 

Mais c’est comme ça, on n’y peut pas grand-chose ! 

Pour remettre un peu d’équité dans tout ça, je vous propose de découvrir un peu toutes les personnes qui ont contribué à cette image. 

Six articles ont été publiés le 10 avril 2019 dans The Astrophysical Journal Letters à propos de cette première image.

Ces articles ont été cosignés par plus de 300 personnes ayant participé au projet. 

Voici la liste de ces personnes : 

eht-equipe

Merci pour eux à tous ceux qui ont pris la peine de lire tous ces noms. (Oui je sais ils sont tous petits, mais ils sont trop nombreux…)

Cela fait une très longue liste, mais je trouvais important de mettre un peu en avant toutes ces personnes. 

Je trouve cela dommage qu’une seule personne soit sous les feux des projecteurs quand toute une équipe a participé. 

Nous refermons ici cette petite parenthèse sur les membres de l’équipe. 

Pour finir cet article, il est temps d’aller voir ce qu’il va advenir du projet EHT dans le futur. 

Vous me suivez ? 

Quel futur pour l’EHT ?

Vous vous demandez sans doute ce que va devenir le projet EHT ?

En effet, à présent qu’ils ont atteint leur objectif de création on peut se dire que c’est fini. 

Mais n’ayez crainte, le projet ne va pas retourner dormir au fond d’un placard. 

Bien au contraire ! 

L’obtention d’une première image n’est qu’un premier pas, qui ouvre la voie à de nombreux autres. 

Quels objectifs pour la suite ?

Maintenant, les objectifs vont être d’obtenir plus d’images, de meilleure qualité, nous en apprenant encore davantage sur les trous noirs. 

Certains d’entre vous, moi la première, ont pu être déçus d’apprendre que la première image d’un trou noir n’est pas celle de notre trou noir central. 

Eh bien, rassurez-vous, l’un des objectifs de l’équipe de l’EHT est à présent de produire une image de Sagittarius A*. 

Pour se faire, d’autres radiotélescopes sont en cours de construction.

Ils viendront s’ajouter aux huit premiers qui ont permis cette image. 

Ces télescopes permettront d’obtenir une plus grande résolution et donc de meilleures images des trous noirs. 

L’un des objectifs est donc d’améliorer la sensibilité, la résolution des images. 

Par ailleurs, outre la beauté de ces images, elles seront très utiles aux astrophysiciens et astrophysiciennes pour mieux comprendre les trous noirs. 

L’amélioration de la qualité des images et l’étude d’autres trous noirs leur permettront d’en découvrir plus sur ces objets. 

Cela leur permettra entre autres d’étudier les changements de ces objets au cours du temps. 

Mais également de tester la théorie de la relativité générale et surtout de la vérifier. 

De plus, les scientifiques envisagent également la possibilité d’utiliser des radiotélescopes spatiaux dans le futur. 

Mais il faut concevoir les télescopes et les envoyer là-haut et cela coûte cher…

On ne parle donc pas ici d’un futur immédiat. 

Le but ultime du projet est de produire des animations de trous noirs. 

Elles permettraient d’étudier plus précisément ces derniers, leur mouvement, leur vitesse, etc…

L’EHT a donc encore de belles années devant lui !

Il promet de nous fournir des images de plus en plus précises de ces merveilleux objets. 

Pour conclure

En attendant de pouvoir vous présenter une prochaine image d’un trou noir, il est temps pour moi de finir cet article ! 

J’espère qu’il vous aura plu et que vous aurez appris de nombreuses choses sur cette image. 

Si vous voulez voir (ou revoir) la conférence durant laquelle la première image été dévoilée, c’est par ici !

Il s’agit de l’enregistrement de la conférence de Bruxelles. 

Les cinq autres ont eu lieu à Washington, Tokyo, Taïpei, Shanghai et Santiago du Chili. 

Pour ceux qui souhaitent aller encore plus loin sur le sujet, voici une excellente vidéo !

Elle est malheureusement en anglais, mais pour ceux qui maitrisent la langue, elle est très intéressante. 

N’hésitez pas à commenter cet article, pour que nous partagions ensemble la joie d’avoir pu observer un trou noir. 

Mais surtout n’oubliez pas, même si on ne peut pas y voir de trou noir, gardez 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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6 commentaires sur « Première photo d’un trou noir : l’image en détail »

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