En avril 2019, les scientifiques ont publié la première image d'un trou noir dans la galaxie M87 à l'aide du télescope Event Horizon (EHT). Cependant, cette réalisation remarquable n'était que le début de l'histoire scientifique à raconter.

Les données de 19 observatoires publiées aujourd'hui promettent de donner un aperçu sans précédent de ce trou noir et du système qu'il alimente, et d'améliorer les tests de la théorie de la relativité générale d'Einstein.

"Nous savions que la première image directe d'un trou noir serait révolutionnaire, " dit Kazuhiro Hada de l'Observatoire astronomique national du Japon, co-auteur d'une nouvelle étude publiée dans Les lettres du journal astrophysique qui décrit le grand ensemble de données. "Mais pour tirer le meilleur parti de cette image remarquable, nous devons savoir tout ce que nous pouvons sur le comportement du trou noir à ce moment-là en observant sur l'ensemble du spectre électromagnétique."

L'immense attraction gravitationnelle d'un trou noir supermassif peut propulser des jets de particules qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière sur de vastes distances. Les jets du M87 produisent une lumière couvrant tout le spectre électromagnétique, des ondes radio à la lumière visible aux rayons gamma. Ce modèle est différent pour chaque trou noir. L'identification de ce modèle donne un aperçu crucial des propriétés d'un trou noir, par exemple, sa rotation et sa production d'énergie, mais c'est un défi parce que le modèle change avec le temps.

Les scientifiques ont compensé cette variabilité en coordonnant les observations avec plusieurs des télescopes les plus puissants du monde au sol et dans l'espace, capter la lumière de tout le spectre. Ces observations de 2017 étaient la plus grande campagne d'observation simultanée jamais entreprise sur un trou noir supermassif avec des jets.

Trois observatoires gérés par le Centre d'Astrophysique | Harvard &Smithsonian ont participé à la campagne phare :le Submillimeter Array (SMA) à Hilo, Hawaii; l'observatoire spatial Chandra à rayons X; et le Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) dans le sud de l'Arizona.

En commençant par l'image désormais emblématique de l'EHT de M87, une nouvelle vidéo emmène les téléspectateurs dans un voyage à travers les données de chaque télescope. Chaque image consécutive montre des données sur de nombreux facteurs d'une échelle de dix, à la fois des longueurs d'onde de la lumière et de la taille physique.

La séquence commence avec l'image d'avril 2019 du trou noir. Il se déplace ensuite à travers les images d'autres réseaux de radiotélescopes du monde entier (SMA), se déplaçant vers l'extérieur dans le champ de vision à chaque étape. Prochain, la vue change pour les télescopes qui détectent la lumière visible, lumière ultraviolette, et les rayons X (Chandra). L'écran se divise pour montrer comment ces images, qui couvrent la même partie du ciel en même temps, comparer les uns aux autres. La séquence se termine en montrant ce que les télescopes gamma au sol (VERITAS), et Fermi dans l'espace, détecter à partir de ce trou noir et de son jet.

Chaque télescope fournit des informations différentes sur le comportement et l'impact du trou noir de 6,5 milliards de masse solaire au centre de M87, qui est situé à environ 55 millions d'années-lumière de la Terre.

"Il y a plusieurs groupes impatients de voir si leurs modèles correspondent à ces riches observations, et nous sommes ravis de voir toute la communauté utiliser cet ensemble de données publiques pour nous aider à mieux comprendre les liens profonds entre les trous noirs et leurs jets, " dit le co-auteur Daryl Haggard de l'Université McGill à Montréal, Canada.

Les données ont été collectées par une équipe de 760 scientifiques et ingénieurs de près de 200 institutions, couvrant 32 pays ou régions, et en utilisant des observatoires financés par des agences et des institutions du monde entier. Les observations se sont concentrées de fin mars à mi-avril 2017.

"Cet incroyable ensemble d'observations comprend plusieurs des meilleurs télescopes du monde, " déclare le co-auteur Juan Carlos Algaba de l'Université de Malaisie à Kuala Lumpur, Malaisie. "C'est un merveilleux exemple d'astronomes du monde entier travaillant ensemble à la poursuite de la science."

Les premiers résultats montrent que l'intensité de la lumière produite par la matière autour du trou noir supermassif de M87 était la plus faible jamais observée. Cela a produit des conditions idéales pour visualiser l'« ombre » du trou noir, ainsi que d'être capable d'isoler la lumière des régions proches de l'horizon des événements de ces dizaines de milliers d'années-lumière du trou noir.

La combinaison des données de ces télescopes, et les observations EHT actuelles (et futures), permettra aux scientifiques de mener des recherches importantes dans certains des domaines d'étude les plus importants et les plus difficiles de l'astrophysique. Par exemple, les scientifiques prévoient d'utiliser ces données pour améliorer les tests de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Actuellement, des incertitudes sur la matière tournant autour du trou noir et projetée par jets, en particulier les propriétés qui déterminent la lumière émise, représentent un obstacle majeur pour ces tests de Relativité Générale.

Une question connexe qui est abordée par l'étude d'aujourd'hui concerne l'origine des particules énergétiques appelées "rayons cosmiques, " qui bombardent continuellement la Terre depuis l'espace. Leurs énergies peuvent être un million de fois supérieures à ce qui peut être produit dans le plus puissant accélérateur de la Terre, le grand collisionneur de hadrons. Les énormes jets lancés des trous noirs, comme ceux montrés dans les images d'aujourd'hui, sont considérés comme la source la plus probable des rayons cosmiques les plus énergétiques, mais il y a beaucoup de questions sur les détails, y compris les emplacements précis où les particules sont accélérées. Parce que les rayons cosmiques produisent de la lumière via leurs collisions, les rayons gamma les plus énergétiques peuvent localiser cet endroit, et la nouvelle étude indique que ces rayons gamma ne sont probablement pas produits près de l'horizon des événements, du moins pas en 2017. Une clé pour régler ce débat sera la comparaison avec les observations de 2018, et les nouvelles données recueillies cette semaine.

"La compréhension de l'accélération des particules est vraiment essentielle à notre compréhension à la fois de l'image EHT et des jets, dans toutes leurs "couleurs", ", explique le co-auteur Sera Markoff de l'Université d'Amsterdam. "Ces jets parviennent à transporter l'énergie libérée par le trou noir à des échelles plus grandes que la galaxie hôte, comme un énorme cordon d'alimentation. Nos résultats nous aideront à calculer la quantité d'énergie transportée, et l'effet des jets du trou noir sur son environnement."

La publication de ce nouveau trésor de données coïncide avec la course d'observation 2021 de l'EHT, qui exploite une gamme mondiale d'antennes paraboliques, la première depuis 2018. La campagne de l'année dernière a été annulée en raison de la pandémie de COVID-19, et l'année précédente a été suspendue en raison de problèmes techniques imprévus. Cette semaine même, pendant six nuits, Les astronomes de l'EHT ciblent plusieurs trous noirs supermassifs :celui de M87 encore, celui de notre Galaxie appelé Sagittaire A*, et plusieurs trous noirs plus éloignés. Par rapport à 2017, le réseau a été amélioré par l'ajout de trois radiotélescopes supplémentaires :le télescope du Groenland, le télescope de 12 mètres de Kitt Peak en Arizona, et le NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en France.

"Avec la publication de ces données, combinée à la reprise de l'observation et une amélioration de l'EHT, nous savons que de nombreux nouveaux résultats passionnants se profilent à l'horizon, ", déclare le co-auteur Mislav Balokovic de l'Université de Yale.

"Je suis vraiment excité de voir ces résultats sortir, avec mes collègues travaillant sur le SMA, dont certains ont été directement impliqués dans la collecte de certaines données pour cette vue spectaculaire sur M87, " dit le co-auteur Garrett Keating, un scientifique du projet Submillimeter Array. "Et avec les résultats de Sagittarius A* - le trou noir massif au centre de la Voie lactée - qui sortiront bientôt, et la reprise des observations cette année, nous attendons avec impatience des résultats encore plus étonnants avec l'EHT pour les années à venir."