En avril 2019, une équipe internationale de plus de 300 scientifiques a dévoilé les premières images enregistrées d'un trou noir, son ombre sombre et son disque orange vif scrutant à travers 55 millions d'années-lumière de l'espace. Capturer des images de si loin a nécessité la puissance combinée de huit radiotélescopes sur quatre continents, travaillant ensemble pour former essentiellement un télescope massif de la taille de la Terre appelé Event Horizon Telescope (EHT).

La technologie qui alimente l'imagerie EHT est également utilisée par les scientifiques de la NASA et du monde entier pour mesurer la Terre. Interférométrie à très longue ligne de base, ou VLBI, est une technique qui combine des formes d'onde enregistrées par deux ou plusieurs radiotélescopes. Cet outil polyvalent est utilisé non seulement en astronomie, mais aussi la géodésie :La science de la mesure de la taille de la Terre, forme, rotation et orientation dans l'espace.

La géodésie nous permet de voir des cartes sur nos téléphones, mesurer les marées océaniques, planifier les lancements de fusées, calibrer les horloges, prévoir les tremblements de terre, suivre les tsunamis et maintenir les orbites des satellites. En tant qu'outil géodésique, Le VLBI aide les scientifiques à mesurer avec précision les distances et la topographie et à suivre les changements de la surface et de la rotation de la Terre au fil du temps. Des scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et l'observatoire Haystack du MIT à Westford, Massachusetts, pionnier de l'utilisation géodésique du VLBI dans les années 1960.

Aujourd'hui, Nasa, Le MIT Haystack et d'autres partenaires collaborent pour améliorer et étendre les stations géodésiques à travers le monde dans le cadre du Space Geodesy Project (SGP) de la NASA. MIT Haystack sert de plaque tournante pour le développement matériel et logiciel qui profite à la fois à l'astronomie et à la géodésie, partenariat avec la National Science Foundation pour soutenir l'EHT et avec la NASA pour stimuler le SGP. Ensemble, cette synergie a contribué directement à la réalisation de l'image du trou noir tout en travaillant vers plus petit, des radiotélescopes plus rapides, plus d'automatisation et accès à plusieurs outils géodésiques au même endroit, permettant des cartes plus précises, graphiques, trajectoires et orbites de vol que jamais auparavant.

VLBI :Tout sur cette ligne de base

Les radiotélescopes mesurent les ondes radio. Ces ondes sont plus faibles et plus faibles que la lumière visible, mais ils pénètrent la poussière et les gaz interstellaires et les interférences de la propre atmosphère de la Terre d'une manière que la lumière visible ne peut pas. Ils donnent également aux astronomes des informations sur l'espace qui n'existent pas dans le spectre visible.

La visualisation des ondes radio nécessite de grandes, télescopes sensibles. Une matrice VLBI a un pouvoir grossissant, ou "résolution angulaire, " équivalent à un seul télescope avec une parabole aussi large que la ligne de base la plus longue entre deux télescopes du réseau. (Par exemple, les télescopes les plus éloignés de l'EHT étaient séparés de plus de 7, 000 milles, égalant un seul télescope plus de deux fois plus large que les États-Unis.) Chaque télescope du réseau EHT a capturé les ondes radio émises par le trou noir sous un angle unique, en fonction de leur localisation sur Terre. L'addition de toutes ces observations avec un ordinateur puissant a donné les images finales.

Dans les années 1960, les scientifiques de la NASA Goddard et du MIT Haystack ont ​​réalisé que cette légère différence de perspective était une source précieuse d'informations, pas seulement sur l'espace, mais à propos de la Terre.

"Le principe de base du VLBI géodésique est que les ondes radio provenant d'une source distante frappent une station avant l'autre, " a déclaré Stephen Merkowitz, directeur du projet de géodésie spatiale de la NASA. "Nous utilisons des quasars, qui sont des galaxies actives très lointaines, si loin qu'ils sont des points fixes dans le ciel. Nous mesurons le délai entre le moment où le signal atteint ces deux points, et convertir en une distance en utilisant la vitesse de la lumière."

La rotation de la Terre fait varier le délai entre les signaux de quasar observés par les stations VLBI, permettant aux scientifiques de mesurer avec précision la vitesse de rotation. Ils peuvent également utiliser ces données pour mesurer l'emplacement et la distance entre les stations VLBI, et en répétant ces mesures dans le temps, peut observer même minuscule, changements lents à la surface de la Terre, comme la dérive des continents.

La fonction la plus importante du VLBI est peut-être d'aider à construire les référentiels terrestres et célestes internationaux. Le cadre de référence terrestre attribue des coordonnées à des emplacements sur Terre, y compris son centre, fournir un cadre cohérent pour relier les mesures les unes aux autres.

"Supposons que vous ayez une mission qui mesure le niveau de la mer dans le golfe du Mexique et que vous ayez un marégraphe au large des côtes de la Louisiane qui mesure également le niveau de la mer, et vous voulez les lier ensemble pour avoir une vérité terrain sur les observations spatiales, " dit Merkowitz. " S'ils ne sont pas dans le même référentiel, tu ne peux pas faire ça. Si votre cadre n'est pas précis et stable, cela introduira toutes sortes d'erreurs dans cette cravate. Donc, un bon cadre de référence permet de connecter différents ensembles de données grâce à la géolocalisation."

Le Cadre de Référence Céleste sert un objectif similaire, mais au lieu de créer un cadre stable pour les emplacements de la Terre, il crée un cadre pour localiser des objets astronomiques. Les scientifiques utilisent les paramètres d'orientation de la Terre—mesures du temps, orientation et rotation—pour relier les deux cadres ensemble. Cela crée un système complet pour géolocaliser les objets dans l'espace et sur Terre.

Un exemple de technologie quotidienne qui dépend de ces référentiels est le Global Positioning System, ou GPS. Le GPS s'appuie sur une constellation de satellites diffusant en permanence leurs emplacements et leurs heures à des appareils compatibles GPS au sol, des téléphones portables aux équipements agricoles. Les satellites de la constellation s'appuient sur le repère terrestre et les paramètres d'orientation de la Terre pour relayer leur position, Il est donc essentiel de garder ces cadres précis et précis pour les activités quotidiennes dans le monde.

Des quantités que nous tenons parfois pour acquises, comme la durée du jour de la Terre et sa vitesse de rotation, ne sont pas réellement constants, dit Merkowitz. "Ils dépendent de beaucoup de choses différentes comme la météo, grands mouvements de masse comme El Niño ou La Niña, et les mouvements de grandes quantités d'eau, " il expliqua.

Tracer une voie pour l'avenir de la géodésie

Avec la Terre en constante évolution, la géodésie maintient les cartes précises, avions et navires en route et mesures satellitaires précises. En réalité, Le VLBI et d'autres outils sont essentiels pour les satellites d'observation de la Terre comme ICESat-2 et les instruments comme GEDI, qui utilisent tous deux des impulsions laser pour mesurer les structures des calottes glaciaires et des forêts. Sans savoir exactement où se trouvent les engins spatiaux au-dessus de la surface de la Terre, les scientifiques ne seraient pas en mesure de faire ce genre de mesures de précision.

"Lorsque vous effectuez une détermination d'orbite de précision pour quelque chose comme ICESat-2, il nécessite le référentiel en entrée, " Merkowitz a déclaré. "ICESat-2 est très sensible aux erreurs, donc si le calcul du centre de la Terre est erroné, cela se traduit par une erreur dans les mesures scientifiques. Les missions en orbite de précision et les missions qui mesurent les hauteurs dépendent particulièrement du cadre."

En 2007, l'Académie nationale des sciences a signalé que l'infrastructure de géodésie du pays vieillissait trop rapidement pour répondre à la demande croissante de données. La NASA a donc lancé le Space Geodesy Project pour développer et déployer la prochaine génération de stations géodésiques, qui comprend VLBI ainsi que d'autres techniques qui utilisent des lasers pour suivre avec précision les satellites (appelée télémétrie laser par satellite, ou reflex).

Les nouvelles stations VLBI pourront échantillonner sur une large gamme de fréquences au lieu de seulement deux, en leur donnant plus de flexibilité pour continuer à collecter des données en cas d'interférence du Wi-Fi ou d'autres signaux. Leur plus petite taille et leur mouvement plus rapide les rendront plus adaptables aux conditions atmosphériques, mais pour compenser les petits plats (rappelez-vous, avec des radiotélescopes, plus c'est mieux), ils échantillonneront les données beaucoup plus rapidement. Finalement, Merkowitz a dit, les systèmes pourront collecter des données 24 heures sur 24 sans supervision humaine pour fournir des mesures beaucoup plus rapides.

L'Académie nationale des sciences et d'autres associations géodésiques internationales recommandent que, pour les meilleurs résultats scientifiques, le réseau de géodésie spatiale mis à jour doit être précis au millimètre près, ou de l'épaisseur d'une carte d'identité. Il doit également être stable à un dixième de millimètre près, soit la largeur d'un cheveu humain. Cette précision est cruciale pour mesurer le niveau de la mer, qui augmentent d'environ 3,4 millimètres, ou 0,13 pouces, par an, dit Merkowitz.

Le projet est dans sa première phase :remplacer les stations géodésiques domestiques de la NASA par les systèmes de nouvelle génération. La NASA a récemment installé sa troisième station VLBI domestique au Texas; ses stations VLBI de nouvelle génération à Hawaï et au Maryland sont déjà opérationnelles et effectuent régulièrement des mesures.

La NASA travaille également avec des partenaires internationaux pour aider à la transition du réseau international VLBI vers la technologie de nouvelle génération, dit Merkowitz. « La coopération internationale est vitale pour le succès de la géodésie spatiale. La mesure des effets mondiaux nécessite un réseau mondial, et la NASA ne peut pas le faire seule."

Le réseau de nouvelle génération prendra en charge un GPS plus précis, des cadres de référence de plus en plus précis et une meilleure prise en charge des nombreuses façons dont nous utilisons les cartes dans le monde d'aujourd'hui. Avec l'aide du VLBI, l'équipe nous aidera à savoir où nous en sommes et où nous allons avec encore plus de précision à l'avenir.