Une équipe internationale de plus de 200 astronomes, y compris des scientifiques de l'observatoire Haystack du MIT, a capturé les premières images directes d'un trou noir. Ils ont accompli cet exploit remarquable en coordonnant la puissance de huit grands observatoires radio sur quatre continents, travailler ensemble en virtuel, Un télescope de la taille de la Terre.

Dans une série d'articles publiés aujourd'hui dans un numéro spécial de Lettres de revues astrophysiques , l'équipe a dévoilé quatre images du trou noir supermassif au cœur de Messier 87, ou M87, une galaxie dans l'amas de galaxies de la Vierge, 55 millions d'années-lumière de la Terre.

Les quatre images montrent une région centrale sombre entourée d'un anneau de lumière qui semble déséquilibré, plus lumineux d'un côté que de l'autre.

Albert Einstein, dans sa théorie de la relativité générale, prédit l'existence de trous noirs, sous forme d'infiniment dense, régions compactes dans l'espace, où la gravité est si extrême que rien, même pas de lumière, peut s'échapper de l'intérieur. Par définition, les trous noirs sont invisibles. Mais si un trou noir est entouré d'un matériau électroluminescent tel que le plasma, Les équations d'Einstein prédisent qu'une partie de ce matériau devrait créer une « ombre, " ou un contour du trou noir et de sa limite, également connu sous le nom d'horizon des événements.

Sur la base des nouvelles images de M87, les scientifiques croient qu'ils voient l'ombre d'un trou noir pour la première fois, sous la forme de la zone sombre au centre de chaque image.

La relativité prédit que l'immense champ gravitationnel provoquera la courbure de la lumière autour du trou noir, formant un anneau lumineux autour de sa silhouette, et fera également tourner le matériau environnant autour de l'objet à une vitesse proche de la lumière. Le brillant, L'anneau déséquilibré dans les nouvelles images offre une confirmation visuelle de ces effets :le matériau dirigé vers notre point de vue lorsqu'il tourne semble plus lumineux que l'autre côté.

A partir de ces images, les théoriciens et les modélisateurs de l'équipe ont déterminé que le trou noir est environ 6,5 milliards de fois plus massif que notre soleil. De légères différences entre chacune des quatre images suggèrent que la matière circule autour du trou noir à la vitesse de l'éclair.

"Ce trou noir est bien plus gros que l'orbite de Neptune, et Neptune met 200 ans pour faire le tour du soleil, " dit Geoffrey Crew, chercheur à l'observatoire Haystack. "Avec le trou noir M87 si massif, une planète en orbite en ferait le tour en une semaine et voyagerait à une vitesse proche de la vitesse de la lumière."

"Les gens ont tendance à voir le ciel comme quelque chose de statique, que les choses ne changent pas dans les cieux, ou s'ils le font, c'est sur des échelles de temps plus longues qu'une vie humaine, " dit Vincent Poisson, chercheur à l'observatoire Haystack. "Mais ce que nous trouvons pour M87 est, au détail très fin que nous avons, les objets changent sur l'échelle de temps des jours. À l'avenir, nous pouvons peut-être produire des films de ces sources. Aujourd'hui, nous voyons les images de départ."

"Ces nouvelles images remarquables du trou noir M87 prouvent qu'Einstein avait encore raison, " dit Maria Zuber, Le vice-président du MIT pour la recherche et l'E.A. Professeur Griswold de géophysique au Département de la Terre, Sciences atmosphériques et planétaires. "La découverte a été rendue possible par les progrès des systèmes numériques dans lesquels les ingénieurs de Haystack ont ​​longtemps excellé."

"La nature était gentille"

Les images ont été prises par le télescope Event Horizon, ou EHT, un réseau à l'échelle planétaire comprenant huit radiotélescopes, chacun dans une télécommande, environnement de haute altitude, y compris les sommets des montagnes d'Hawaï, la Sierra Nevada espagnole, le désert chilien, et la calotte glaciaire de l'Antarctique.

Un jour donné, chaque télescope fonctionne indépendamment, observer des objets astrophysiques qui émettent de faibles ondes radio. Cependant, un trou noir est infiniment plus petit et plus sombre que toute autre source radio dans le ciel. Pour y voir clair, les astronomes doivent utiliser des longueurs d'onde très courtes - dans ce cas, 1,3 millimètres, qui peuvent couper à travers les nuages ​​de matière entre un trou noir et la Terre.

Faire une image d'un trou noir nécessite également un grossissement, ou "résolution angulaire, " équivaut à lire un texte sur un téléphone à New York depuis un café-terrasse à Paris. La résolution angulaire d'un télescope augmente avec la taille de sa parabole. Cependant, même les plus grands radiotélescopes de la Terre sont loin d'être assez grands pour voir un trou noir.

Mais lorsque plusieurs radiotélescopes, séparés par de très grandes distances, sont synchronisés et focalisés sur une seule source dans le ciel, ils peuvent fonctionner comme une très grande parabole radio, grâce à une technique dite d'interférométrie à très longue base, ou VLBI. Leur résolution angulaire combinée peut ainsi être considérablement améliorée.

Pour EHT, les huit télescopes participants se résumaient à une antenne parabolique virtuelle aussi grande que la Terre, avec la capacité de résoudre un objet jusqu'à 20 microsecondes d'arc, soit environ 3 millions de fois plus nette qu'une vision 20/20. Par une heureuse coïncidence, c'est à peu près la précision requise pour visualiser un trou noir, selon les équations d'Einstein.

"La nature a été gentille avec nous, et nous a donné quelque chose juste assez grand pour voir en utilisant des équipements et des techniques de pointe, " dit l'équipage, co-responsable du groupe de travail corrélation EHT et de l'équipe VLBI de l'Observatoire ALMA.

"Des tas de données"

Le 5 avril, 2017, l'EHT a commencé à observer M87. Après avoir consulté de nombreuses prévisions météorologiques, les astronomes ont identifié quatre nuits qui produiraient des conditions claires pour les huit observatoires - une opportunité rare, au cours de laquelle ils pourraient travailler comme un plat collectif pour observer le trou noir.

En radioastronomie, les télescopes détectent les ondes radio, à des fréquences qui enregistrent les photons entrants sous forme d'onde, avec une amplitude et une phase mesurées sous forme de tension. Comme ils ont observé M87, chaque télescope a recueilli des flux de données sous forme de tensions, représentés sous forme de nombres numériques.

"We're recording gobs of data—petabytes of data for each station, " Crew says.

Au total, each telescope took in about one petabyte of data, equal to 1 million gigabytes. Each station recorded this enormous influx that onto several Mark6 units—ultrafast data recorders that were originally developed at Haystack Observatory.

After the observing run ended, researchers at each station packed up the stack of hard drives and flew them via FedEx to Haystack Observatory, in Massachusetts, and Max Planck Institute for Radio Astronomy, en Allemagne. (Air transport was much faster than transmitting the data electronically.) At both locations, the data were played back into a highly specialized supercomputer called a correlator, which processed the data two streams at a time.

As each telescope occupies a different location on the EHT's virtual radio dish, it has a slightly different view of the object of interest—in this case, M87. The data received by two separate telescopes may encode a similar signal of the black hole but also contain noise that's specific to the respective telescopes.

The correlator lines up data from every possible pair of the EHT's eight telescopes. From these comparisons, it mathematically weeds out the noise and picks out the black hole's signal. High-precision atomic clocks installed at every telescope time-stamp incoming data, enabling analysts to match up data streams after the fact.

"Precisely lining up the data streams and accounting for all kinds of subtle perturbations to the timing is one of the things that Haystack specializes in, " says Colin Lonsdale, Haystack director and vice chair of the EHT directing board.

Teams at both Haystack and Max Planck then began the painstaking process of "correlating" the data, identifying a range of problems at the different telescopes, fixing them, and rerunning the correlation, until the data could be rigorously verified. Only then were the data released to four separate teams around the world, each tasked with generating an image from the data using independent techniques.

"It was the second week of June, and I remember I didn't sleep the night before the data was released, to be sure I was prepared, " says Kazunori Akiyama, co-leader of the EHT imaging group and a postdoc working at Haystack.

All four imaging teams previously tested their algorithms on other astrophysical objects, making sure that their techniques would produce an accurate visual representation of the radio data. When the files were released, Akiyama and his colleagues immediately ran the data through their respective algorithms. Surtout, each team did so independently of the others, to avoid any group bias in the results.

"The first image our group produced was slightly messy, but we saw this ring-like emission, and I was so excited at that moment, " Akiyama remembers. "But simultaneously I was worried that maybe I was the only person getting that black hole image."

His concern was short-lived. Soon afterward all four teams met at the Black Hole Initiative at Harvard University to compare images, and found, with some relief, and much cheering and applause, that they all produced the same, lopsided, ring-like structure—the first direct images of a black hole.

"There have been ways to find signatures of black holes in astronomy, but this is the first time anyone's ever taken a picture of one, " Crew says. "This is a watershed moment."

"A new era"

The idea for the EHT was conceived in the early 2000s by Sheperd Doeleman Ph.D. '95, who was leading a pioneering VLBI program at Haystack Observatory and now directs the EHT project as an astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. À l'époque, Haystack engineers were developing the digital back-ends, recorders, and correlator that could process the enormous datastreams that an array of disparate telescopes would receive.

"The concept of imaging a black hole has been around for decades, " Lonsdale says. "But it was really the development of modern digital systems that got people thinking about radio astronomy as a way of actually doing it. More telescopes on mountaintops were being built, and the realization gradually came along that, Hey, [imaging a black hole] isn't absolutely crazy."

In 2007, Doeleman's team put the EHT concept to the test, installing Haystack's recorders on three widely scattered radio telescopes and aiming them together at Sagittarius A*, the black hole at the center of our own galaxy.

"We didn't have enough dishes to make an image, " recalls Fish, co-leader of the EHT science operations working group. "But we could see there was something there that's about the right size."

Aujourd'hui, the EHT has grown to an array of 11 observatories:ALMA, APEX, the Greenland Telescope, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the Kitt Peak Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

Coordinating observations and analysis has involved over 200 scientists from around the world who make up the EHT collaboration, with 13 main institutions, including Haystack Observatory. Key funding was provided by the National Science Foundation, the European Research Council, and funding agencies in East Asia, including the Japan Society for the Promotion of Science. The telescopes contributing to this result were ALMA, APEX, the IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

More observatories are scheduled to join the EHT array, to sharpen the image of M87 as well as attempt to see through the dense material that lies between Earth and the center of our own galaxy, to the heart of Sagittarius A*.

"We've demonstrated that the EHT is the observatory to see a black hole on an event horizon scale, " Akiyama says. "This is the dawn of a new era of black hole astrophysics."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.