Première image d’un trou noir super massif en onde millimétrique

Les trous noirs sont des objets essentiels pour comprendre les stades ultimes de l’évolution stellaire, la formation des galaxies ou encore la nature profonde de l’espace-temps. La Relativité Générale a été vérifiée avec précision sur Terre et lors d’observations menées dans le système solaire ou avec des pulsars binaires, soit encore, plus récemment, lors de la détection d’ondes gravitationnelles émises à partir de trous noirs de 10 à 30 masses solaires. A ce jour, la Relativité Générale reste encore à vérifier avec précision en champ fort au voisinage des trous noirs massifs présents au centre des galaxies.

Fig 1 : Image du dernier anneau brillant et de l’ombre du trou noir de M87/Virgo A. L’asymétrie de brillance observée est compatible avec un effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement émis par le plasma chaud capté part le trou noir. Les modèles montrent que le rayon de l’anneau et l’asymétrie dépendent de la masse et du spin du trou noir. Les limites mêmes du trou noir sont de près de 2.5 fois plus petites que l’ombre projetée. (Crédit: EHT collaboration)

La première image d’un trou noir vient d’être obtenue dans la direction d’une radio galaxie, Messier 87 (Virgo A), située à quelques 17 Megaparsecs du système solaire. Elle a révélé une structure en « croissant » de près de 40 microsecondes de degré autour de l’ombre projetée du trou noir central (Fig. 1). Cet « évènement » a fait l’objet de six conférences de presse tenues simultanément autour du globe et d’un communiqué de presse de l’ESO [Réf. 1]. Les résultats [Réf. 2] ont été comparés a divers modèles dans le cadre de la Relativité Générale pour estimer les paramètres physiques de M87 dont la masse du trou noir proche de 6.5×109 masses solaires [Réf. 3].             

Les données qui ont conduit à l’image de M87 ont été collectées en 2017 à la longueur d’onde de 1.3 mm grâce à un réseau de télescopes mm/submm distribués autour de la Terre (Fig. 2). Ce réseau est appelé « Event Horizon Telescope » (EHT) puisqu’il cherche à capter les derniers photons émis autour d’un trou noir. La technique utilisée est celle du VLBI (Very Long Baseline Interferometry) qui combine divers télescopes pour former un télescope virtuel de la taille de la Terre de façon à obtenir une résolution spatiale extrême. Les franges d’interférence sont reconstituées en temps différé par corrélation après enregistrement -et synchronisation avec des horloges atomiques- des données de chaque télescope. Des techniques d’imagerie « classiques » sont ensuite utilisées pour obtenir les images de l’anneau de M87 et de son ombre. Le domaine mm/sub-mm est essentiel pour ces observations acquises dans une grande bande de fréquence instantanée de façon à combattre les effets de diffusion du milieu interstellaire. (Ces effets élargissent des structures spatiales intrinsèquement petites, la diffusion variant comme le carré de la longueur d’onde.) 

Fig. 2 : Distribution des 8 stations radio formant le réseau « Event Horizon Telescope » lors des observations de M87 (voir références 1 et 2). ALMA au Chili et le SMA à Hawaï ont été utilisés en mode « phasé » (voir texte). PV correspond au 30m de l’IRAM au sud de l’Espagne. (Crédit : EHT collaboration)

Les 8 stations radio (Fig. 2) mobilisées pour imager le disque entourant le trou noir de M87 offrent toutes une grande sensibilité depuis des sites de grande altitude où la vapeur d’eau résiduelle est suffisamment faible pour ne pas absorber le rayonnement. Le site d’ALMA était configuré en un réseau « phasé » d’antennes déployées sur le plateau de l’Atacama à 5000 m d’altitude pour fournir l’équivalent d’un disque collecteur de près de 85 m de diamètre. ALMA a donc joué un rôle déterminant dans l’obtention de résultats nouveaux en raison de sa grande sensibilité et de sa position dans l’hémisphère sud. Il a permis, lors des observations de M87 et Sgr A*, d’améliorer la sensibilité du réseau VLBI mm de près d’un ordre de grandeur par rapport aux expériences menées jusqu’au début des années 2010.

            Les chercheurs du LAB qui pratiquent des observations VLBI ne sont pas impliqués dans l’exploitation des données acquises pour M87 ou le centre de notre Galaxie mais certains d’entre eux ont participé à la définition d’un vaste programme de recherche en VLBI mm avec ALMA [Réf. 4]. L’un d’entre eux a aussi contribué au projet de mise en phase des signaux captés par ALMA pour simuler une antenne de 85 m du réseau global VLBI mm [Réf. 5]. 

On attend maintenant l’image du trou noir massif situé au centre de notre Galaxie, Sgr A*. Sa masse est connue avec une grande précision, 4.1×106 masses solaires, à partir des paramètres d’orbite des étoiles se déplaçant autour du centre galactique et particulièrement des paramètres de l’étoile S2 observée par la collaboration GRAVITY avec l’interféromètre du VLT [Réf. 5]. En raison de sa proximité, 8000 parsecs environ, Sgr A*, bien que peu massif comparé aux quelques 109 masses solaires de M87, possède le rayon de Schwarzschild (Note 1) le plus grand de tous les trous noirs massifs recensés à ce jour. On attend donc du réseau EHT une image VLBI mm d’une grande finesse permettant de révéler éventuellement une rotation. La recherche en astronomie mm/submm ne cesse de se développer et de nouveaux télescopes sont mis en service. Cette situation et des développements techniques continus bénéficient au VLBI mm qui prévoit l’addition de nouvelles stations: deux antennes de 12 m qui ont initialement servi à valider la fabrication des antennes ALMA sont redéployées au Groenland et à Kitt Peak et, surtout, on pourra maintenant inclure le réseau « phasé » NOEMA de l’IRAM, l’équivalent d’une antenne unique de près de 52 m de diamètre.

Contact au LAB : Alain Baudry (équipe Formation Stellaire)

Note 1: Le rayon de Schwarzschild correspond au rayon limite pour qu’un photon puisse s’échapper d’une sphère statique de masse M. On définit RSchw = (2 G M)/c2

[Réf. 1] ESO Science Release 1907, https://www.eso.org/public/news/eso1907/

[Réf. 2] The EHT Collaboration: Akiyama, K. et al. 2019, ‘First M87 Event Horizon Telescope Results.I. The Shadow of the Supermassive Black Hole’, ApJL, 875, Paper 1

[Réf. 3] The EHT Collaboration: Asada, K. et al. 2019, ‘First M87 Event Horizon Telescope Results.VI. The Shadow and Mass of the Central Black Hole’, ApJL, 875, Paper 6

[Réf. 4] Tilanus, R.P.J. et al.2014, ‘Future mm VLBI research with ALMA: A European vision’,

[Réf. 5] Baudry, A. et al. 2012, ’Phasing ALMA with the 64-antenna correlator’, 11th European VLBI Network Symposium & Users Meeting, https://pos.sissa.it/178/054/pdf

[Réf. 6] GRAVITY Collaboration: Abuter, R. et al. 2018, ‘Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole’, A&A 615, L15