"C'est la preuve définitive de leur existence" : pourquoi la photo inédite d'un trou noir constitue un exploit

"Enfin ! Finies, les simulations. Vous découvrez maintenant pour la toute première fois un véritable trou noir." Le chercheur allemand Heino Falcke peinait à cacher son enthousiasme, en dévoilant une grande première dans l'histoire de l'astronomie. Réunis sous le projet Event Horizon Telescope, des astronomes du monde entier ont présenté le résultat d'une observation croisée visant à capturer l'image d'un trou noir, mercredi 10 avril, lors d'une conférence de presse donnée simultanément dans six villes.

La présentation de cette image est le fruit d'une incroyable prouesse technique et scientifique. Selon la loi de la relativité générale établie en 1915 par Albert Einstein, qui permet d'expliquer leur fonctionnement, l'attraction gravitationnelle de ces "monstres" est telle que rien ne peut s'en échapper, ni la matière, ni la lumière, quelle que soit la longueur d'onde. On ne peut donc pas directement les observer et les trous noirs sont, par définition, invisibles. Pour contourner cette difficulté, ces équipes internationales ont cherché à observer l'objet céleste par contraste, à partir de son environnement immédiat.

"Un jet de matière déformé par les effets de la relativité générale"

Par chance, la matière émet en effet une lumière quand elle est absorbée par le monstre. "Le trou noir correspond à la région centrale sombre, décrypte pour franceinfo Frédéric Vincent, chercheur au CNRS et à l'Observatoire de Paris. Ce que l'on voit tout autour, c'est la base du jet de matière qui est extrêmement déformé par les effets de la relativité générale. Ce jet est composé de matière, d'électrons et de protons chauffés à très haute température." Ces jets sont provoqués par l'énergie de rotation dans l'environnement immédiat du trou noir, quand celui-ci commence à absorber de la masse. "Le projet EHT donne une image des flots d'accrétion et d'éjection des gaz. C'est une observation directe de ce qui se passe à portée immédiate du trou noir."

En avril 2017, les scientifiques du projet ont ciblé simultanément deux trous noirs avec huit télescopes répartis à travers le monde, lesquels ont permis de constituer virtuellement un super-télescope d'environ 10 000 kilomètres de diamètre. Le premier trou noir, Sagittarius A*, est blotti au centre de la Voie lactée, à 26 000 années-lumière de la Terre. Sa masse est équivalente à 4,1 millions de fois celle du Soleil et son rayon équivaut à un dixième de la distance entre la Terre et le Soleil. L'autre, M87*, est 1 500 fois plus massif que Sagittarius A*. Il est situé à 50 millions d'années-lumière de la Terre, au cœur de la galaxie M87. C'est son image qui a été présentée lors de la conférence de presse historique.

Un trou noir est un objet céleste qui possède une masse extrêmement importante dans un volume très petit. C'est un peu comme si la Terre était comprimée dans un dé à coudre, ou comme si le soleil ne faisait plus que 6 km de diamètre, expliquait récemment à l'AFP Guy Perrin, astronome à l'Observatoire de Paris-PSL. Dans les deux cas, il s'agit de trous noirs dits "supermassifs", dont la formation reste à ce jour un mystère. Ceux-ci ont commencé à se former très tôt dans l'univers, avec les galaxies, et ils grossissent donc depuis quelque 10 milliards d'années. Il existe un autre type de trous noirs, dits "stellaires", qui se forment à la fin du cycle de vie d'une étoile. Mais ceux-ci sont bien trop petits pour être observés.

Comme observer "un pamplemousse sur la Lune depuis la Terre"

Le projet EHT est une incroyable machine de précision, puisqu'il est capable de capter les ondes millimétriques émises par l'environnement du trou noir. "L'horizon des événements [à savoir la limite de non-retour de la matière avant absorption par le trou noir] est de l'ordre d'une dizaine de microsecondes d'angle, précise Frédéric Vincent. Pour vous donner une idée, c'est à peu près la taille d'un pamplemousse placé sur la Lune observé depuis la Terre". A terme, l'un des objectifs d'EHT sera certainement de proposer une image de Sagittarius A*. Bien moins massif que M87*, il est également bien plus proche –  au cœur de la Voie lactée – et la distance angulaire depuis la Terre est donc sensiblement la même. 

Les astronomes cherchent depuis des années à identifier le pourtour de ces "monstres" grâce aux phénomènes se déroulant en limite. Ils ont d'abord observé des ondes gravitationnelles, en 2015. Puis à l'été 2018, un autre projet nommé Gravity – auquel participe Frédéric Vincent et plusieurs laboratoires français – était parvenu à observer du gaz tourbillonnant à très grande proximité de Sagittarius A*. Nous avons effectué plusieurs points de mesure sur la dernière orbite du gaz sur le point d'être définitivement englouti : à chaque fois, un flash de lumière a été émis et le bord du trou noir est devenu aussi brillant que l'étoile S2", résumait le chercheur Thibaut Paumard dans Sciences et Avenir.

"La preuve définitive de l'existence des trous noirs"

"Une photo, c'est la preuve définitive de l'existence des trous noirs", s'enthousiasme pour sa part Jean-Pierre Luminet, astrophysicien au CNRS français. Le Français l'avoue lui-même, il n'aurait jamais cru voir une image de son vivant. En 1979, il avait été l'auteur de la première simulation numérique d'un trou noir, après avoir réalisé des calculs informatiques théoriques ensuite dessinés à la main. Dans son sillage, de nombreux autres chercheurs avaient ensuite cherché à proposer des modélisations, comme le rappelle cet article paru sur un blog de la revue Nature (en anglais).

Au passage, cette nouvelle observation valide encore et toujours la théorie de la relativité d'Einstein. "Quand on se spécialise, on espère un jour trouver des limites à cette théorie, commente Frédéric Vincent. Mais on a beau pousser les recherches à des degrés fantastiques, avec des exploits technologiques, rien n'y fait. Tout est toujours en parfait accord avec ce qu'avait prévu Albert Einstein".