Verra-t-on un trou noir… un jour ?

Les images dans cet article sont des vues d’artistes ou des images de synthèse

En 2018, j’ai écrit une série d’articles (1 ; 2 ; 3 ; 4) sur l’éventualité d’admirer pour la première fois l’image réelle d’un trou noir avant la fin de cette année-là. À l’évidence, ceux qui avaient pris ce pari, l’équipe de l’EHT (Event Horizon Telescope), ont péché par un trop grand optimisme.

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Plus de trois mois après leur seconde échéance, aucune nouvelle n’a encore filtré sur leur site web, la dernière mise à jour remontant au 8 août 2018. En octobre 2018, la revue universetoday.com abordait ce sujet et rappelait à leurs lecteurs que rien n’avait été annoncé par l’équipe de l’EHT après l’échéance d’avril 2017.

Je ne veux pas discuter de leurs difficultés techniques, des temps réduits sur les télescopes et de tous les problèmes qu’ils ont dû affronter et qui continuent de jalonner leurs travaux pour composer cette fameuse image. Personne ne met en doute les immenses défis qu’a à relever l’équipe de l’EHT pour traiter les données accumulées en 2017.

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Je veux juste parler de cette tendance de plus en plus répandue à vendre la peau de l’ours avant de l’avoir tué, à promettre sans sérieusement évaluer l’ampleur réelle du défi, à titiller l’intérêt des gens pour ensuite se rendre compte que ça ne pourra pas se faire dans les temps, à pérorer plutôt que penser.

Je ne suis pas contre l’enthousiasme, bien au contraire, mais je suis également très attaché au sérieux d’une démarche d’engagement. Promettre de réaliser quelque chose et s’en tenir ne semble plus représenter aucune importance, alors on promet sans compter puisque les conséquences de rater la cible semblent nulles.

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J’aurais pu choisir une autre victime que l’équipe de l’EHT, ce ne sont pas les exemples qui manquent. Je l’ai choisie parce que le sujet est éminemment important pour la cosmologie et sa théorie dominante, la relativité générale d’Einstein.

Euh, oui, bon! En cherchant bien, on peut trouver quelques sujets plus importants dans la vie, j’en conviens. Qu’importe, car tout ce qui a semblé trop éloigné du quotidien pour avoir la moindre importance dans nos vies a fini par l’envahir d’aplomb! Et la relativité générale n’y fait pas exception. Si vous l’ignoriez, à chaque utilisation d’une appli de positionnement par GPS, la relativité générale vient à la rescousse pour assurer la précision des calculs. Sans elle, les positions dériveraient de plusieurs mètres par jour.

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Ce serait donc une erreur de penser que la cosmologie n’a d’intérêt que pour ceux qui l’étudient. La cosmologie est près de nous et même en nous. Le destin de l’Univers dépend de tout ce qu’il contient, nous y compris.

Les trous noirs pavent la voie vers une compréhension inédite de notre Monde, car ils relient la physique relativiste et la physique quantique. Ce sont des objets très simples et pourtant prodigieux.

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Cette fameuse et toujours absente première image véritable du trou noir supermassif réfugié au cœur de notre Galaxie apporterait la preuve définitive que ce type d’aberration naturelle existe bel et bien, et pas seulement dans les livres de physique. En revanche, si l’image diffère de ce que nos simulations numériques nous montrent, nous pourrions mettre la main sur quelque chose d’extrêmement important, un indice d’une nouvelle physique.

Alors, de grâce, chère équipe de l’EHT, cesse de promettre la Lune ou le Trou noir et redouble plutôt d’ardeur au travail! Je déteste écrire des titres d’articles à la forme interrogative et ensuite devoir répondre «non». «Verra-t-on un trou noir en 2018?» C’était le titre de ma série d’articles concernant ton travail en cours… alors, cours!

C’est la faute aux ondes gravitationnelles

Il existe une nouvelle mode depuis quelque temps, celle de placer les mots «ondes gravitationnelles» partout où l’on voit des rides ou des vagues. Les nuages forment des moutons parallèles, c’est l’effet des ondes gravitationnelles. Des rides dans des dunes, les ondes gravitationnelles. Des rides sur l’eau, les ondes gravitationnelles.

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Les ondes gravitationnelles ne sont pas visibles à notre échelle et ne laissent pas de traces apparentes de leur passage. Elles déforment l’espace d’une manière microscopique lorsqu’elles se propagent à la vitesse de la lumière. Depuis peu, on les détecte en faisant voyager un rayon laser entre des miroirs distants de plusieurs dizaines de kilomètres et l’on réussit à peine à mesurer une variation infinitésimale de cette longueur. Si elles faisaient des vagues dans des dunes, soyez certain que nous serions en train d’être pulvérisés par deux trous noirs en coalescence dans la banlieue proche de la Terre.

Alors, non, les ondes gravitationnelles ne font pas rider les dunes ni ne dessinent des rouleaux dans les nuages. De bien grandes bêtises proférées par des gens ignorant tout de ce phénomène qui fut prédit par Albert Einstein un an après avoir complété sa théorie de la relativité générale. Il publia un article à ce sujet dans une revue scientifique en 1916, mais il a quand même toujours fortement douté de leur existence, changeant plusieurs fois d’idée par la suite. Une fois de plus, son instinct ne l’avait pas trompé.

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Les ondes gravitationnelles ne ressemblent pas aux ondes électromagnétiques connues qui utilisent les photons pour transporter l’énergie. Ce sont donc des ondes de gravitation qui déforment l’espace-temps lorsqu’elles irradient à partir de leur lieu d’origine.

Il est raisonnable de penser qu’une particule joue le même rôle que le photon, dans leur propagation, ce serait le graviton. Lui aussi se déplacerait à la même vitesse c que son homologue électromagnétique. Mais si les ondes gravitationnelles ont été récemment détectées et confirmées, il n’en fut pas de même pour le graviton qui reste une particule hypothétique.

Les déformations spatiales exigent de l’énergie, on ne plie pas l’espace gratuitement. Ainsi, deux trous noirs qui se tournent autour avant de fusionner perdront une partie de leur masse transportée sous forme d’énergie par les ondes gravitationnelles.

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La première détection d’ondes gravitationnelles a eu lieu le 14 septembre 2015 par les trois détecteurs LIGO et les scientifiques ont pu le confirmer le 11 février 2016, un siècle après la parution de l’article d’Einstein. Mais ce qui a rendu cette détection si spectaculaire est le fait d’avoir situé dans l’espace le lieu d’où provenait la production de ces ondes.

Couplée à d’autres observations résalisées par des télescopes traditionnels détectant des effets électromagnétiques complémentaires, ensemble, elles ont permis de découvrir la fusion de deux trous noirs de 36 et 29 masses solaires survenue à une distance de 1,3 milliard d’années-lumière. Il en est résulté un trou noir de 62 masses solaires. Ils ont donc perdu 5 % de leur masse, l’équivalent de trois fois la masse de notre Soleil, transformée en énergie qui a déformé l’espace jusqu’à nous. À leur arrivée sur Terre, le train d’ondes a fait osciller nos dimensions spatiales de seulement quelques zeptomètres (10-21 m). C’est tout dire sur la difficulté de mesurer ces variations infinitésimales de compression et dilatation d’espace.

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Depuis, d’autres détections ont eu lieu, confirmant la première tout en donnant du pep à d’autres détecteurs en cours de construction. Bientôt, nous posséderons tout un réseau de détecteurs capables de bien mesurer et localiser les sources de ces émissions.

Mais soyez assuré et rassuré, aucun phénomène visible n’est causé par le passage de ces vagues d’espace-temps et il vous est impossible de les sentir.

Quelques questions-réponses sur la photographie d’un trou noir

Cet article fait suite à ceux de ces trois derniers jours. 2018-06-112018-06-122018-06-13

Voici une série de questions et de réponses qui pourront vous aider à mieux comprendre le résultat attendu avant la fin 2018 de la première photographie d’un trou noir.

Q — Combien de temps a duré la prise de photographie d’un trou noir en avril 2017?
R — Une semaine

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Q — Quel trou noir a été photographié?
R — La source radio ponctuelle désignée sous le nom de Sagittaire A*. Cette source émet des ondes radio et a été associée au trou noir supermassif résidant au cœur de notre Galaxie. Le trou noir n’émet évidemment pas directement ces ondes. Elles sont un effet sur son environnement lorsqu’il perturbe des nuages de gaz se trouvant dans ses parages.

Q — Est-il photographié en lumière visible?
R — Non. Entre le centre galactique et nous, il y a des poussières et des étoiles en quantités tellement grandes qu’il est absolument impossible de voir un objet en arrière-plan en utilisant les ondes visibles. Le télescope virtuel EHT utilise deux couvertures d’ondes électromagnétiques. Les principales fréquences détectées sont les ondes radio millimétriques et submillimétriques (bandes de fréquences de nos postes de télé et radio commerciales) provenant de ce point de l’espace. La seconde couverture se fait en ultraviolet. Les photons détectés seront ensuite transposés dans des couleurs qu’on peut voir afin de nous montrer un résultat visible pour nos yeux.

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Q — À quoi risque de ressembler la photographie?
R — Au risque de vous décevoir, le résultat risque visuellement d’être très peu ressemblant aux belles images dont je vous abreuve depuis les derniers articles sur le sujet. Comme je le spécifiais dans le précédent article, ces images sont des résultats d’artistes ou de simulations numériques et elles font abstraction de tous les «
défauts» causés par des centaines de causes dont plusieurs seront présents dans les images finales. Les astronomes tenteront d’en éliminer le plus possible, mais elles ne seront certainement pas à la hauteur des attentes des amateurs peu ou mal informés des difficultés.

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Q — Alors à quoi servira cette photo?
R — Elle sert surtout à valider un protocole de travail très élaboré visant à créer un interféromètre supergéant. Elle sert aussi à améliorer nos connaissances en traitement informatique interférométrique. Elle deviendra également une première «
preuve tangible» plus ou moins convaincante de l’existence réelle des trous noirs qui n’ont été jusqu’à présent que calculés à partir d’une théorie qu’on sait bancale lorsqu’elle flirte avec les infinis.

Q — Comment pourra-t-on améliorer ce résultat dans l’avenir?
R — On pense à un interféromètre mixte utilisant des télescopes spatiaux et terrestres, ce qui agrandirait de beaucoup la résolution du télescope virtuel.

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Q — Sur certaines photos de synthèse, on voit des trous noirs comme une tache alors que d’autres le montrent avec toutes sortes d’effets lumineux aux alentours. Lesquelles de ces simulations se rapprochent de la réalité?
R — Un trou noir stable qui n’a aucune rotation ferait apparaitre une tache ronde noire qui est l’horizon des événements du trou noir. Il sera entouré d’un halo lumineux occasionné par les étoiles en arrière-plan dont les rayons lumineux sont déviés et concentrés aux environs immédiats de cet horizon. Mais un trou noir qui ne tourne pas du tout n’existe probablement pas. Sa rotation apporte des changements à la structure géométrique de l’espace proche du trou noir. Imaginez que vous pincez une maille d’un tricot et que vous tourniez le poignet. Une partie du tricot se déformera autour de la maille pincée et tordue. L’espace autour d’un trou noir fait de même et dans les 3 dimensions. Ce changement à la structure géométrique de l’espace autour du trou noir dévie les rayons lumineux environnants et créera différents effets visuels. Toutefois, selon l’angle avec lequel nous verrons le trou noir, l’angle par rapport à son plan de rotation, le résultat visuel variera beaucoup.

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Q — Comment les astronomes peuvent-ils être certains de la présence d’un trou noir au centre de la Voie lactée ? Et comment ont-ils calculé sa masse et ses dimensions ?

R — Puisqu’il n’a jamais été détecté, on pourrait se demander comment les astronomes savent qu’un trou noir galactique supermassif se cache au cœur de notre Galaxie. Ils ont suivi à la trace durant une dizaine d’années certaines étoiles très proches du centre galactique et ils ont remarqué qu’elles bougeaient. Ils ont tracé leur orbite et trouvé qu’elles tournaient toutes autour d’un point absent sur les photos (voir résultat ci-haut). Selon les lois de la mécanique céleste, il est possible de mesurer la masse de ce point central en fonction des orbites et des masses des étoiles révolutionnant autour. Ils ont donc mesuré une masse d’environ 4 millions de masses solaires. Puisque le volume dans lequel cette masse est concentrée est beaucoup trop petit pour correspondre à un groupe important d’étoiles supergéantes, il ne reste plus que des trous noirs puisque même des étoiles à neutrons seraient obligées de s’agglutiner en se transformant là encore en trou noir.

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Q — C’est bien Einstein qui a prédit l’existence des trous noirs?
R — Faux. Malgré l’insistance dérangeante de plusieurs sites scientifiques à lui attribuer cette prédiction, elle est l’œuvre de Karl Schwarzschild qui fut le premier à calculer une singularité (trou noir) dans les équations d’Einstein en 1916. Einstein lui-même pensait que la Nature avait prévu des mécanismes qui empêchaient ces singularités de survenir. Donc, non seulement Einstein ne les a jamais prédits, mais il n’y croyait tout simplement pas. Même si Einstein a inventé l’outil mathématique, le marteau en quelque sorte, il n’est pas l’auteur de toutes les œuvres créées à partir de celui-ci.

N’hésitez pas à poser vos questions sous forme de commentaire.

Cortège de trous noirs

Le cœur de la Voie lactée n’abrite pas seulement un trou noir supermassif de 4 millions de masses solaires, mais également une myriade de petits trous noirs stellaires. On en a recensé une douzaine jusqu’à présent, mais ce n’est que le début puisqu’on en prévoit des centaines.

Cette découverte n’est pas inattendue, bien au contraire. La Galaxie, comme beaucoup d’autres, possède un bulbe galactique entourant son centre. La densité de la population d’étoiles y est beaucoup plus forte qu’ailleurs. Le centre de notre Galaxie contient également ses plus vieilles étoiles. Pour ces raisons, trouver beaucoup d’étoiles s’étant transformées en trou noir près du centre galactique prouve que la Voie lactée est une galaxie normale.

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On avait prouvé voilà déjà plusieurs années que le centre galactique était effectivement un trou noir supermassif plutôt qu’un amas dense d’étoiles ordinaires. Le cortège de trous noirs stellaires gravitant dans son giron.

Contrairement à la croyance populaire, un trou noir supermassif ne se comporte pas comme un aspirateur. Les objets tournant autour de lui peuvent très bien conserver une orbite stable en conformité avec les lois de Kepler.

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Le trou noir central accumule en son sein de la matière environnante uniquement lorsque certains objets ont été déviés par des collisions ou lorsque la Galaxie avale des nuages de gaz ou d’autres galaxies qui se sont trop rapprochés. Mais pour ce qui est des objets en orbite stable autour de son noyau, ils peuvent poursuivre leur ronde des millions d’années sans aucunement être avalés.

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Cette découverte a été réalisée par une équipe de la Nasa dirigée par Chuck Hailey avec le télescope Chandra détectant les rayons X. Due à toute la poussière et aux milliards d’étoiles situées entre nous et le centre de notre Galaxie, il est impossible d’utiliser un télescope opérant dans le visible ou aux longueurs d’onde s’y rapprochant. Seuls les rayons X et gamma peuvent sonder le centre de notre Voie lactée.

Le premier à avoir prédit des milliers de trous noirs de masse stellaire formant un disque tournant autour du trou noir supermassif central est le théoricien Mark Morris en 1993. Cette récente découverte ne révèle rien de surprenant. Toutefois, les moyens mis en œuvre pour le prouver repoussent encore plus loin nos compétences observationnelles.

Photos : ici-radio-canada.ca ; maxiscience.com ; astroalbastronomy.wordpress.com ; atlantico.fr