TROUS NOIRS

Imagerie directe d’un trou noir supermassif

Une première étape vers l’obtention d’une image d’un trou noir et de son environnement correspond à la mise en service de l'interféromètre optique Gravity, opérationnel depuis 2018 au Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral au Chili. Il a pu suivre les orbites d'étoiles gravitant autour du trou noir galactique SgrA* à seulement quelques centaines de fois le rayon de ce dernier et mesurer les effets spécifiques (accélération orbitale, décalage spectral gravitationnel vers le rouge) prévus par la théorie de la relativité générale.

Il faudrait disposer d’un télescope de taille gigantesque pour observer directement l’ombre dessinée par l’horizon des événements d’un trou noir et la tache chaude du disque d’accrétion qui l’enrobe. Plusieurs défis techniques s'opposent au développement d'un tel instrument. Le principal est la taille minuscule de pareils astres vus depuis la Terre. Le plus proche trou noir stellaire connu est à environ 1 500 années-lumière de la Terre, et sa taille apparente équivaut à celle sous laquelle on verrait depuis la Terre une bactérie sur la Lune ! Il faut donc viser des trous noirs supermassifs proches, sachant que leur taille est proportionnelle à leur masse. C’est pourquoi les astronomes s’intéressent plus particulièrement à SgrA*, situé à 27 000 années-lumière au centre de notre Voie lactée, avec une masse estimée à 4,1 millions de M_S, et au trou noir supergéant M87*, de 6,4 milliards de Ms, au centre de la galaxie elliptique géante M87, distante de 55 millions d’années-lumière.

En termes de taille intrinsèque, les horizons des événements de SgrA* et M87* ont, pour diamètre respectif, 25 millions de kilomètres et 36 milliards de kilomètres. Tous calculs faits, il ressort que les ombres projetées par SgrA* et M87* sur les halos gazeux de leur disque d’accrétion ont un diamètre angulaire apparent d’environ 50 millionièmes de secondes d'arc (étant entendu que la sphère céleste est divisée en 360 degrés d’arc, les degrés en 60 minutes et les minutes en 60 secondes). C'est l’angle infinitésimal sous lequel nous verrions à l'œil nu une pomme posée sur la Lune, nécessitant un pouvoir de résolution 2 000 fois supérieur à celui du télescope spatial Hubble.

La résolution d’un télescope dépend de son ouverture (le diamètre de son objectif) et de la longueur d’onde à laquelle il observe. Doubler l’ouverture permet de résoudre des détails deux fois plus précis. Il faudrait ainsi un télescope optique de 2 kilomètres de diamètre pour résoudre les images de SgrA* et M87*, ce qui n’est pas envisageable même à long terme. De toute façon, les abords de trous noirs restent cachés à notre vue dans la plupart des bandes de fréquences du rayonnement électromagnétique. En effet, les centres des galaxies où ils se trouvent sont enfouis sous de denses nuages de poussière qui bloquent la plus grande part des rayonnements. Pour percer ce véritable brouillard, il faut augmenter la longueur d’onde et passer à la radioastronomie dans les longueurs d’onde millimétriques, domaine où les centres galactiques deviennent quasiment transparents.

Quand on double la longueur d’onde, on divise par deux la résolution, de sorte qu’il faut encore augmenter la taille des télescopes. Pour observer le trou noir central de notre Galaxie dans le domaine millimétrique, il faudrait disposer d’un radiotélescope d’environ 5 000 kilomètres de diamètre. Or, à ces longueurs d’onde, les astronomes peuvent utiliser l’interférométrie à très large base (VLBI pour Very Long Baseline Interferometry), technique qui intègre plusieurs observatoires pour former un télescope virtuel dont l’ouverture est aussi grande que la distance qui les sépare. Un réseau VLBI de taille terrestre devient donc juste assez[...]

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Écrit par

Jean-Pierre LUMINET : directeur de recherche émérite au CNRS, laboratoire d'astrophysique, Marseille

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Puits gravitationnel créé par un trou noir - crédits : J.-P. Luminet — Puits gravitationnel créé par un trou noir

J.-P. Luminet

Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma - crédits : J.-P. Luminet — Formation de trous noirs stellaires et sursauts gamma

J.-P. Luminet

Galaxie NGC 1277 - crédits : NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA) — Galaxie NGC 1277

NASA/ ESA/ Andrew C. Fabian/ Remco C. E. van den Bosch (MPIA)

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