Le télescope Event Horizon détecte les trous noirs à haute résolution depuis la Terre

La collaboration Event Horizon Telescope (EHT) a effectué des observations tests atteignant la plus haute résolution jamais obtenue à la surface de la Terre, en détectant la lumière provenant des centres de galaxies lointaines à une fréquence d’environ 345 GHz.

Combinés aux images existantes de trous noirs supermassifs au cœur de M87 et Sgr A à la fréquence inférieure de 230 GHz, ces nouveaux résultats rendront non seulement les photographies de trous noirs 50 % plus nettes, mais produiront également des vues multicolores de la région immédiatement à l’extérieur de la limite de ces bêtes cosmiques.

Les nouvelles détections, menées par des scientifiques du Centre d’astrophysique | Harvard & Smithsonian (CfA) qui comprend l’observatoire astrophysique Smithsonian (SAO), sont publiées dans Le Journal Astronomique.

« Avec l’EHT, nous avons vu les premières images de trous noirs en détectant des ondes radio à 230 GHz, mais l’anneau brillant que nous avons vu, formé par la courbure de la lumière sous l’effet de la gravité du trou noir, semblait encore flou parce que nous étions aux limites absolues de la netteté que nous pouvions obtenir sur les images », a déclaré Alexander Raymond, co-directeur de l’étude, ancien chercheur postdoctoral au CfA et aujourd’hui au Jet Propulsion Laboratory de la NASA (NASA-JPL). « À 345 GHz, nos images seront plus nettes et plus détaillées, ce qui révélera probablement de nouvelles propriétés, à la fois celles qui avaient été prédites auparavant et peut-être certaines qui ne l’avaient pas été. »

L’EHT crée un télescope virtuel de la taille de la Terre en reliant entre elles plusieurs antennes paraboliques réparties sur toute la planète, grâce à une technique appelée interférométrie à très longue base (VLBI). Pour obtenir des images à plus haute résolution, les astronomes ont deux options : augmenter la distance entre les antennes paraboliques ou observer à une fréquence plus élevée. Comme l’EHT avait déjà la taille de notre planète, augmenter la résolution des observations au sol nécessitait d’étendre sa gamme de fréquences, et c’est ce que la collaboration EHT a désormais fait.

« Pour comprendre pourquoi il s’agit d’une avancée majeure, il suffit de considérer la quantité de détails supplémentaires que l’on obtient en passant des photos en noir et blanc aux photos en couleur », explique Sheperd « Shep » Doeleman, co-directeur de l’étude, astrophysicien au CfA et au SAO et directeur fondateur de l’EHT. « Cette nouvelle « vision des couleurs » nous permet de distinguer les effets de la gravité d’Einstein du gaz chaud et des champs magnétiques qui alimentent les trous noirs et lancent de puissants jets qui s’écoulent sur des distances galactiques. »

Un prisme sépare la lumière blanche en un arc-en-ciel de couleurs, car les différentes longueurs d’onde de la lumière se déplacent à des vitesses différentes à travers le verre. Mais la gravité courbe toute la lumière de la même manière, c’est pourquoi Einstein prédit que la taille des anneaux observés par l’EHT devrait être similaire à 230 GHz et à 345 GHz, tandis que le gaz chaud tourbillonnant autour des trous noirs aura un aspect différent à ces deux fréquences.

C’est la première fois que la technique VLBI est utilisée avec succès à une fréquence de 345 GHz. Bien que la capacité d’observer le ciel nocturne avec un seul télescope à 345 GHz ait déjà existé, l’utilisation de la technique VLBI à cette fréquence a longtemps posé des problèmes qui ont nécessité du temps et des avancées technologiques pour être surmontés.

La vapeur d’eau dans l’atmosphère absorbe les ondes à 345 GHz bien plus qu’à 230 GHz, ce qui affaiblit les signaux des trous noirs à la fréquence plus élevée. La clé était d’améliorer la sensibilité de l’EHT, ce que les chercheurs ont fait en augmentant la bande passante de l’instrumentation et en attendant que le temps soit favorable sur tous les sites.

La nouvelle expérience a utilisé deux petits sous-réseaux de l’EHT, constitués de l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) et de l’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) au Chili, du télescope de 30 mètres de l’IRAM en Espagne, du NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en France, du Submillimeter Array (SMA) sur Maunakea à Hawaï et du télescope du Groenland, pour effectuer des mesures avec une résolution aussi fine que 19 microsecondes d’arc.

« Les sites d’observation les plus puissants sur Terre se trouvent à haute altitude, où la transparence et la stabilité atmosphériques sont optimales, mais où la météo peut être plus dramatique », a déclaré Nimesh Patel, astrophysicien au CfA et au SAO, et ingénieur de projet au SMA, ajoutant qu’au SMA, les nouvelles observations ont nécessité de braver les routes glacées de Maunakea pour ouvrir le réseau dans un temps stable après une tempête de neige avec quelques minutes d’avance.

« Aujourd’hui, grâce aux systèmes à large bande passante qui traitent et captent des bandes plus larges du spectre radio, nous commençons à surmonter les problèmes de sensibilité de base, comme la météo. Le moment est venu, comme le prouvent les nouvelles détections, de progresser vers 345 GHz », a ajouté Patel.

Cette réalisation constitue également une nouvelle étape dans la création de films haute fidélité de l’environnement de l’horizon des événements entourant les trous noirs, qui s’appuieront sur des mises à niveau du réseau mondial existant. Le projet EHT de nouvelle génération (ngEHT) prévu ajoutera de nouvelles antennes à l’EHT dans des emplacements géographiques optimisés et améliorera les stations existantes en les mettant à niveau pour qu’elles fonctionnent toutes à plusieurs fréquences entre 100 GHz et 345 GHz en même temps.

Grâce à ces améliorations et à d’autres, le réseau mondial devrait augmenter d’un facteur 10 la quantité de données nettes et claires dont dispose l’EHT pour l’imagerie, permettant aux scientifiques de produire non seulement des images plus détaillées et plus sensibles, mais également des films mettant en vedette ces bêtes cosmiques violentes.

« L’observation réussie de l’EHT à 345 GHz est une étape scientifique majeure », a déclaré Lisa Kewley, directrice du CfA et du SAO. « En repoussant les limites de la résolution, nous obtenons la clarté sans précédent dans l’imagerie des trous noirs que nous avions promise dès le début, et nous établissons de nouvelles normes plus élevées pour les capacités de recherche astrophysique au sol. »