Trois ans après l’obtention de la toute première véritable image d’un trou noir – celle du trou noir supermassif M87* situé au cœur de la galaxie Messier 87 -, nous voilà désormais en mesure d’admirer le "portrait" du trou noir géant situé au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée. Il s’agit de la toute première image de Sagittarius A* (Sgr A*), de son nom, situé à quelque 27.000 années-lumière de nous et dont la masse équivaut à 4,3 millions de fois celle du Soleil. Le cliché a été révélé jeudi 12 mai 2022 aux alentours de 15 heures lors d'une visioconférence de presse organisée par l'Observatoire européen austral (ESO) et l'Event Horizon Telescope (EHT). Ces résultats font l'objet de six articles dans The Astrophysical Journal Letters.
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Première preuve directe de sa présence
Comme M87*, cet extraordinaire cliché a été capturé dans le cadre de la collaboration internationale Event Horizon Telescope (EHT), qui réunit une équipe de 300 astronomes issus de 80 instituts repartis dans le monde. Ensemble, ils se sont appuyés sur les observations d'un réseau de huit radiotélescopes, parmi lesquels l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), le télescope de 30 mètres de l’Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM), antenne unique la plus sensible du réseau, ou encore le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA), le plus puissant radiotélescope millimétrique de l’hémisphère nord, situé dans les Hautes-Alpes françaises. Reliés les uns aux autres, les huit observatoires ont ainsi pu former un immense télescope virtuel "de la taille de la Terre".
Crédits : D. Marrone/Université d'Arizona
Ce résultat n’est pas uniquement une formidable prouesse technique : il constitue la preuve indiscutable que l'objet au centre de la Voie lactée est bien un trou noir supermassif, dont la présence est solidement suggérée depuis la fin des années 1990. À cette époque, les observations laissent entendre que des étoiles situées à proximité du centre géométrique de notre galaxie gravitent autour d’un objet ultra-massif et compact en à peine quelques décennies. En 2005, après observation par interférométrie, une équipe chinoise démontre cette fois que l’intense source d’ondes radio de Sgr A* est concentrée dans une minuscule sphère d'une unité astronomique de rayon à peine, soit la distance entre la Terre et le Soleil. Il est alors de plus en plus évident que Sgr A* n’est autre qu’un trou noir gigantesque. Mais à ce stade, il ne s'agit encore que de preuves indirectes. Grâce aux données récoltées par l’EHT depuis 2017 et à cinq ans d'effort collectif, les chercheurs ont désormais la confirmation visuelle, et ultime, qu'un tel monstre règne bien au cœur de la Voie lactée.
Une mine d'informations sur les trous noirs
L'image devrait également fournir de précieux indices sur le fonctionnement de ces mastodontes dont on pense qu’ils se trouvent au centre de la plupart des galaxies. Elle permet d’ailleurs déjà de faire un constat de taille : même si Sgr A* est 1.500 fois plus petit et moins massif que M87*, les deux trous noirs sont remarquablement similaires. "On trouve un anneau très semblable à M87*, environ 20 % plus grand. Rien d'étonnant à cela vu les distances : Sgr A* est moins massif, mais plus près de nous", explique à Sciences et Avenir Vincent Piétu, astronome à l’IRAM (CNRS/Max Planck) et membre de la collaboration EHT. "La taille de l'anneau correspond parfaitement aux prédictions et apporte ainsi une nouvelle confirmation de la validité de la théorie de la relativité générale. Cette confirmation est d'autant plus robuste que l'on se trouve dans un endroit de l’Univers où l'on est complètement dominé par des effets de la relativité."
"La taille de l'anneau correspond parfaitement aux prédictions et apporte ainsi une nouvelle confirmation de la validité de la théorie de la relativité générale"
L'image, de laquelle peuvent être déduits de nombreux paramètres physiques, devrait également permettre aux chercheurs d'en apprendre plus sur les phénomènes survenant autour d'un trou noir. La façon dont son jet, notamment, est corrélé à l'objet en lui-même les intéresse tout particulièrement. Le jet est la conséquence de l'accrétion de matière sur ces objets, qui conduit à l’expulsion d’une partie du gaz jusqu’à des distances 1.000 fois plus grandes. Cette expulsion se fait sous la forme d'un flux de particules chargées - du plasma - émergeant à partir d’un disque en rotation en raison de champs magnétiques forts. "Nous pensons qu'il existe un rapport proportionnel entre la masse d’un trou noir géant et la masse de sa galaxie hôte", détaille Vincent Piétu. "Il se pourrait donc que les trous noirs centraux, notamment par le biais de la matière qu'ils éjectent, co-régulent l’évolution des galaxies et, par extension, l’évolution de l’Univers tout entier."
Crédits : Wolfgang Steffen/UNAM
Une comparaison des paramètres déduits de l'image de Sgr A* avec une bibliothèque de modèles laisseraient enfin penser aux scientifiques que le trou noir est ici vu non par la tranche, mais par le pôle. "Sa variabilité est par exemple un peu plus faible que celle à laquelle on s'attendait, ce qui pourrait s'expliquer par le fait qu'on le regarde par le pôle", confie l'astronome français. Il pourrait enfin générer un champ magnétique important.
Exploit technique
Obtenir l'image de Sagittarius A* a relevé du tour de force pour les astronomes, bien plus que pour M87*. Et pour cause : même si le gaz dans leurs environs respectifs se déplace à la même vitesse - une vitesse proche de celle de la lumière -, la plus petite taille de SgrA* le rend plus instable à l'image. "Alors [que le gaz] met des jours, voire des semaines, à orbiter autour du grand M87*, il ne met que quelques minutes à le faire autour de Sgr A*", a expliqué Chi-kwan Chan, de l'observatoire Steward et du département d'astronomie et de l'institut des sciences des données de l'Université d'Arizona, aux États-Unis, dans un communiqué. "Cela signifie que la luminosité et la configuration du gaz autour de Sgr A* changeaient rapidement pendant que la collaboration EHT l’observait - un peu comme si l'on essayait de prendre une photo claire d'un chiot qui court après sa queue", a comparé le chercheur. L'image du trou noir de Sgr A* est ainsi une moyenne des différents clichés extraits par l'équipe.
M87* était une cible plus facile et plus stable, dont les images se ressemblaient presque toutes. "Ce n'était pas le cas pour Sgr A*, et c'est la raison pour laquelle nous avons mis plus de temps à sortir son image fixe, alors que les clichés des deux objets ont été extraits du même ensemble de données", précise Vincent Piétu. D'ici "cinq à dix ans", les astronomes de l'EHT espèrent pouvoir obtenir non plus seulement des images fixes, mais de petits films du trou noir, "façon timelapses".
