L’anneau photonique : un trou noir prêt pour un gros plan

Lorsque les scientifiques ont dévoilé en 2019 le premier coup d’œil de l’humanité sur un trou noir — un centre noir entouré d’une aura ardente de matériau tombant vers lui —, ils étaient d’avis que les données allaient révéler des images et des connaissances plus complètes.

Des simulations prédisaient que, caché derrière la lumière éblouissante de l’anneau diffus orangé, il devrait y avoir un anneau mince et brillant de lumière créé par des photons lancés derrière le trou noir par son intense gravité.

À l’aide d’algorithmes d’imagerie perfectionnés, une équipe de chercheurs dirigée par l’astrophysicien Avery Broderick a essentiellement regénéré l’image originale du trou noir supermassif situé au centre de la galaxie M87.

« Nous avons éteint le projecteur pour voir les lucioles », explique M. Broderick, professeur associé à l’Institut Périmètre et membre du corps professoral de l’Université de Waterloo. « Nous avons réussi quelque chose d’important : obtenir une signature fondamentale de la gravité autour d’un trou noir. » [traduction]

Capter l’anneau photonique d’un trou noir

« En enlevant couche par couche des éléments de l’image », explique Hung-Yi Pu, professeur adjoint à l’Université Normale nationale de Taïwan et co-auteur de l’article publié le 16 août dans The Astrophysical Journal, « on peut révéler clairement l’environnement du trou noir. » [traduction]

Pour réaliser cela, l’équipe a utilisé un nouvel algorithme d’imagerie inclus dans le cadre d’analyse THEMIS du télescope EHT, afin d’isoler et d’extraire les caractéristiques distinctives de l’anneau à partir des observations originales du trou noir M87* — et aussi de détecter l’empreinte témoin d’un puissant jet qui s’éloigne du trou noir.

Anatomie de l’image d’un trou noir

Les résultats de ces travaux confirment les prédictions théoriques tout en offrant de nouveaux moyens d’étudier ces mystérieux objets, que l’on croit présents au cœur de la plupart des galaxies.

Les trous noirs ont longtemps été considérés comme invisibles, jusqu’à ce que les scientifiques les débusquent à l’aide du télescope EHT (Event Horizon Telescope – Télescope Horizon des événements), réseau de télescopes formé de 8 observatoires répartis sur 4 continents. Tous ces télescopes ont été pointés vers la même région du ciel et synchronisés à la nanoseconde près, et les chercheurs du consortium EHT ont observé 2 trous noirs en 2017.

Le consortium EHT a d’abord dévoilé en 2019 le trou noir supermassif situé dans la galaxie M87, puis en 2022 le trou noir plus petit mais tumultueux, appelé Sagittaire A* (ou Sgr A*), situé au cœur de notre propre galaxie, la Voie lactée. Au centre de la plupart des galaxies, il y a des trous noirs supermassifs qui renferment une incroyable quantité de masse et d’énergie dans un petit espace. Par exemple, le trou noir M87* est 2 millions de milliards (c’est-à-dire 2 suivi de 15 zéros) plus massif que la Terre.

L’image de M87* révélée en 2019 a marqué un jalon, mais les chercheurs ont eu le sentiment qu’ils pouvaient la rendre plus nette en travaillant non pas plus fort, mais plus astucieusement. Ils ont utilisé de nouvelles techniques logicielles pour reconstruire les données originales de 2017 à la recherche de phénomènes qui, selon les théories et les modèles, se cachaient sous la surface. La nouvelle image qui en est résulté montre l’anneau photonique, formé d’une série de sous-anneaux progressivement plus minces assemblés par l’équipe pour produire l’image complète.

L’anneau photonique du trou noir, dans son contexte

« Notre démarche a consisté à exploiter notre compréhension théorique des trous noirs, afin de construire un modèle personnalisé pour les données du télescope EHT », explique Dominic Pesce, membre du consortium EHT et du Centre d’astrophysique Harvard et Smithsonian. « Ce modèle décompose l’image reconstruite des 2 éléments qui nous intéressent le plus, de sorte que nous pouvons les étudier individuellement plutôt qu’entremêlés. » [traduction]

Ce résultat a été rendu possible parce que « le télescope EHT est à la base un instrument informatique, dit M. Broderick. Il dépend autant d’algorithmes que de matériaux de construction. Des développements algorithmiques de pointe nous ont permis d’étudier des caractéristiques-clés de l’image tout en conservant le reste avec la résolution d’origine du télescope EHT. » [traduction]

Avery Broderick est titulaire de la chaire Famille-Delaney-John-Archibald-Wheeler de l’Institut Périmètre. « Nous croyons à la stratégie et à la mission de l’Institut, qui consistent à réunir les esprits les plus brillants en physique et à leur laisser poursuivre leurs idées les plus ambitieuses, déclarent Kiki et Ian Delaney. Nous sommes impatients de voir ce qu’Avery fera ensuite. » [traduction]