EXPLORATION SPATIALE - LE BLOG DE PIERRE BRISSON

Ça y est ! L’ESO a pu déduire de ses observations les contours de SgrA*, le trou-noir central de notre galaxie. A première vue ce trou-noir ressemble beaucoup à celui de la galaxie M87, dont on a présenté l’image il y a maintenant trois ans (avril 2019). C’est exact car il s’agit aussi d’un trou-noir mais il y a quand même des différences et l’on pourra en déduire des confirmations, des informations et de nouvelles interrogations sur les trous-noirs en général et, bien sûr, le nôtre en particulier.

L’information était l’objet d’une conférence de presse donnée hier, 12 mai, au monde entier par divers partenaires dont l’ESO (European Southern Observatory) en Allemagne, à son siège près de Munich (Garching). C’est une satisfaction de constater que nous, Terriens, pouvons nous unir face aux grandes énigmes de l’Univers.

SgrA (Sagittarius A) est le nom donné pour la localisation dans le ciel terrestre (constellation du Sagittaire) de l’origine des ondes-radio reçues de l’environnement immédiat de ce trou-noir. L’astérisque* est ajouté pour caractériser la source elle-même qui « excite » (terme de science physique signifiant que le système est porté à un niveau supérieur d’énergie par rapport à celui qu’il a au repos) l’hydrogène ionisé de cet environnement.

On se doutait depuis la fin des années 1970 (détection à cet endroit d’une très forte source radio en 1974 par Balick & Brown) qu’il pouvait y avoir un trou-noir au centre de notre galaxie comme on se doutait que ce devait être le cas de la plupart des autres galaxies puisque cela découlait de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. On hésitait en ce qui concerne la Voie Lactée en raison de la très faible activité électromagnétique de ce centre (faiblesse confirmée lors de la conférence de presse). Mais la présence d’une masse énorme était évidente du fait que des étoiles (notamment S62, deux masses solaires) orbitaient cette région à des vitesses extrêmement élevées et à des distances très courtes (2 milliards de km au plus près du rayon de Schwartzschild, soit la distance Saturne/Soleil); la vitesse et la distance de S62 (orbite parcourue en 9,9 ans) fournissant d’ailleurs un des moyens de calculer la masse centrale.

Mais on ne « voyait » rien car (1) la population d’étoiles au cœur de la galaxie est extrêmement dense, (2) nous ne pouvons recevoir de rayonnement de la source qu’au travers non seulement du bulbe mais aussi du disque de la galaxie puisque nous sommes dans ce disque, (3) le trou-noir bien que « supermassif », 4,13 millions de masses solaires, est extrêmement petit (diamètre égal à celui de l’orbite de Mercure) et (4) il est situé à 27.000 années-lumière de notre système. On ne peut le distinguer (diamètre depuis la Terre 52 µas ­- microsecondes d’arc) qu’avec des instruments dont la faculté de résolution permettrait de voir une bulle dans un verre de champagne à New-York, depuis l’Allemagne (d’après l’image donnée par l’une des scientifiques présentant le sujet à la conférence de presse).

A contrario, le trou-noir de la galaxie Messier 87 (M87*) était paradoxalement plus facile à voir car, bien que plus lointain (53 millions d’années-lumière) on peut observer sa galaxie orthogonalement, il est beaucoup plus massif (6,5 milliards de masses solaires) donc beaucoup plus gros (diamètre de 38 milliards de km, soit trois fois le rayon de l’orbite de Pluton) et apparait de la même taille que Sgr3* vu de la Terre. Il est aussi beaucoup plus actif (jet de gaz relativiste partant du cœur de la galaxie).

Une autre difficulté pour observer les caractéristiques de SgrA* par rapport à celles de M87* est que le premier étant beaucoup plus petit, les nuages de gaz qui l’entourent bougent relativement beaucoup plus vite. En effet la vitesse maximum est la même, celle de la lumière, mais le cercle à parcourir beaucoup plus petit. L’image est donc constamment, d’une heure à l’autre, changeante.

On a pu donc imager M87* avant SgrA*. En fin de compte ce qui a été présenté lors de la conférence de presse de l’ESO, c’est une image avec des caractéristiques « moyennes », mettant en évidence des constantes ou plutôt des permanences : taille de l’ombre (le centre obscure, entourée d’un anneau de photons que l’on ne voit pas dans le cas présent) et trois surdensités dans la couronne (que les Américains appellent donut…ce qui ne me plait pas du tout). En fait pour mieux se représenter SgrA* il faudra attendre le film qui en est prévu. Cela sera relativement facile car les « prises de vue » (séries de collectes de données) ont été innombrables. Pour le moment il faut se souvenir de cette mobilité de la couronne et avoir conscience que l’image communiquée n’est qu’un instant fugitif de l’astre.

Pour autant, nous devons encore réfléchir à ce que nous voyons. Avec la taille du trou-noir nous avons certes sa masse. Mais très curieusement il apparaît actuellement très peu actif. L’accrétion est extrêmement faible. S’il était de la taille d’un homme, il se nourrirait d’un grain de riz par million d’années (jolie image choisie par une des présentatrices). Contrairement à M87* aucun jet supraluminique (qui doit résulter de cette accrétion si elle avait lieu) n’a pu être observé partant du centre de sa couronne. On le classe donc dans la catégorie des trous-noirs de Kerr (l’un des quatre types de trous-noirs).

Pour faire le « portrait » de SgrA* il a fallu encore plus de travail, que pour M87*, en utilisant des instruments un peu plus performants.

D’abord il s’agit d’utiliser les ondes radio, ni le visible, ni même l’infrarouge ne pouvant parvenir jusqu’au centre de notre bulbe en étant capable de discerner quoi que ce soit. Comme pour M87* on a choisi la longueur d’ondes 1,3 mm. Le principe de l’Event Horizon Telescope, « EHT », utilisé, est le même, un réseau mondial de télescopes (plus précisément d’antennes) de façon à reproduire par interférométrie, l’image qu’obtiendrait un télescope de la taille du disque terrestre (dont les télescopes qui en sont les composants, répartis du Groenland à l’Antarctique, fournissent les éléments). Les équipes qui utilisent cet interféromètre virtuel « à très longue base », « VLBI », constituent la « collaboration » de l’EHT. Elles regroupent trois cent scientifiques et utilise onze centres de collecte, deux de plus que pour M87* : en Arizona et en Europe (« NOEMA » dans les Alpes françaises). Les données sont si volumineuses (elles se comptent en pétaoctets) qu’elles ne peuvent être transmises par les ondes et que leurs supports doivent être portés physiquement jusqu’aux deux centres où elles sont traitées, aux Etats-Unis. On appelle ces centres des « corrélateurs ». Le traitement informatique des données est très long (elles datent de 2017) à cause de cette abondance et à cause de leurs grandes complexités (il faut notamment écarter les « bruits » et le signal est faible).

L’intérêt de l’image est multiple. A partir de deux objets, on peut comparer et déduire, surtout que M87* se classe dans les masses maxima et que SgrA* est de taille moyenne. On a déjà constaté que la masse de ce nouveau trou-noir et son spin (mouvement angulaire) correspondaient à ce que l’on pouvait mathématiquement attendre des lois de la Relativité Générale. On est toujours heureux de vérifier cette théorie extraordinaire.

En dehors de la science pure, il y a, via le sens de la vue, notre part émotionnelle qui est touchée par cet événement. Voir le trou noir, c’est voir le cœur qui nous fait vivre et en même temps l’organe menaçant qui annonce notre mort. Il est central ; nous sommes dans son absolue dépendance et un jour très lointain il engloutira toutes les étoiles qu’il contrôle par gravité, dont notre Soleil, après un étirement puis un déchirement total de la matière. Nous serons bel et bien mis en pièce par ce cœur qui pour le moment nous tient à distance dans une ronde très longue et très lente, comme il tient les autres étoiles de notre galaxie et comme le Soleil tient ses planètes. C’est lui qui donne à la Galaxie sa cohérence et lui permet de fonctionner. C’est grâce à ce trou-noir que des nuages de gaz ont pu et peuvent encore se concentrer en étoiles et c’est grâce à lui que des étoiles ont pu et peuvent encore complexifier la matière par nucléosynthèse. C’est donc in fine grâce à lui que les planètes ont pu se former et la vie naître sur Terre. Oui, le trou-noir central est notre Soleil de vie en même temps qu’il est notre Soleil de mort ; Toutankhaton aurait pu lui dédier son « hymne au Soleil »  s’il avait pu le concevoir. Gérard de Nerval ne pouvait non plus l’imaginer lorsqu’il commentait la magnifique gravure de Dürer, Melancholia, mais ce dessin lugubre est maintenant une clef pour le comprendre. De nos jours les artistes sont aussi les astrophysiciens qui grâce à leur lecture de données froides et inexpressives pour le commun des mortels, sont capables tout comme leurs prédécesseurs, en les interprétant de nous faire rêver ou blêmir.

illustration de titre: Image du trou noir central de la Voie Lactée, SgrA*. Crédit collaboration EHT (Event Horizon Telescope).

Liens :

Note de presse : https://www.eso.org/public/news/eso2208-eht-mw/

Note scientifique : Akiyama_2022_ApJL_930_L12.pdf

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 22 04 27

14 réponses

  1. bonjour; grand merci; si seulement nos grands décideurs s’intéressaient à ces sujets passionnants, plutôt qu’à leurs seuls intérêts financiers morbides…

  2. En lisant attentivement l’écran de votre Garmin, vous arriveriez à voir que l’ESO est basée à Garching, près de Munich 😉

    1. Merci pour votre commentaire. Je corrige mais je ne crois pas que ce soit l’essentiel dans l’article.

  3. Nous n’avons même pas commencé à appréhender l’étendue de notre ignorance! Les trous noirs nous ont permis d’exister et ils sont terriblement dangereux. Mon prof de philo disait: l’ambiguité est partout, rien n’est totalement bénéfique ni totalement négatif. Voir le yin et le yang. Mais observer est le premier pas vers un début de commencement de compréhension. L’attraction des trous noirs doit être causée d’une façon ou d’une autre mais il faudra bien longtemps pour en apprendre davantage. On aura besoin de moyens d’observation extrêmement puissants, voire tels que nous serons peut-être obligés de renoncer. Et vous le suggérez en parlant du portage « physique, jusqu’aux deux centres où les données sont traitées ». L’homme a souvent avancé en s’inspirant de ce qu’il voyait dans la nature. Les premiers vols essayaient d’utiliser des battements d’ailes comme les oiseaux avant de se mettre aux hélices. Nul doute que l’univers, au fur et à mesure que nous en approfondirons la connaissance, nous apportera des idées, des espoirs de progrès technologiques. Nécessité d’observer. Un autre mystère de l’univers est le sursaut gamma, la fin de vie des étoiles massives émettant des photons d’énergie colossale, juste avant un trou noir. Ouais, bon! Einstein disait: « beaucoup de gens connaissent l’équation e=m c² mais ceux qui la comprennent sont bien peu nombreux ». Hélas, je me range misérablement parmi ces derniers.

  4. Permettez-moi quelques commentaires, le premier de pure physico-chimie, les suivants un peu plus astrophysiques, puis un dernier tout à fait métaphysique :

    Vous écrivez : « L’astérisque* est ajouté pour caractériser la source elle-même qui « excite » (terme de science physique signifiant que le système est porté à un niveau supérieur d’énergie par rapport à celui qu’il a au repos) l’hydrogène ionisé de cet environnement. ».

    Si l’hydrogène est ionisé, il n’a plus d’électron et donc ne peut plus être excité. Au contraire, il s’agit de l’atome neutre qui peut exister dans différents états de plus en plus « chauds » ou excités, notés H*, son électron, toujours lié au proton, prenant de plus en plus « d’altitude », de distance, pourrait-on dire, pour imaginer la situation, et donc d’énergie ; mais l’atome ainsi excité de plus en plus reste encore neutre et n’est pas ionisé. À la limite (limite de la série spectrale de Lyman), avec une énergie de 13.6 eV, correspondant à un rayonnement UV de 91.175 nm (~912 Å) de longueur d’onde, l’atome d’hydrogène perd son seul électron et devient un ion positif, un cation, en l’occurrence un proton « tout nu ».

    On a observé plusieurs « nuages » de gaz (au moins six objets, mais dont l’identité de nuage proprement dit n’est pas encore certaine), entre autres G1 et G2, qui ont passé ou qui vont passer près du trou noir. Ils passent à une petite cinquantaine de jours-lumière de l’horizon du trou noir (soit 0.04 pc). Quant au disque d’accrétion lui-même, il est beaucoup plus proche, au minimum à environ 1’000 à 3’000 UA (5.5 à 16.5 jours-lumière), la partie lointaine est encore assez « froide » (entre 100 et 10’000 K), donc seulement en partie ionisée, et la partie proche est déjà très chaude à 10 millions de K. Il faut bien se représenter que, lorsque le gaz hydrogène va « plonger » vers le trou noir, il va émettre une énergie qui représente 10% de sa masse, c’est là une conversion bien plus élevée que la fusion nucléaire qui est à 0.7 % de conversion de masse en énergie, comme cela se déroule au cœur des étoiles. Un trou noir est donc la machine la plus efficace qui soit pour convertir de la masse en énergie…

    Enfin, peut-on vraiment parler d’un « astre » pour ce qui est d’un trou noir ? Il faut se souvenir qu’il s’agit d’une sorte de rupture de notre espace-temps, une sorte d’enclave d’un autre monde, d’un autre espace-temps qui est disjoint du nôtre qui lui est extérieur et comme coupé par discontinuité. Certains ont écrit que notre propre Univers peut être considéré comme un trou noir, étant alors situé dans un Hyper-Univers, et cela indéfiniment, en poupées russes…

    Cela nous rappelle la pensée 72 de Blaise Pascal sur le ciron et les humeurs du ciron et les deux infinis :
    « Qu’un ciron lui [à l’homme] offre dans la petitesse de son corps des parties incomparablement plus petites, des jambes avec des jointures, des veines dans ces jambes, du sang dans ces veines, des humeurs dans ce sang, des gouttes dans ces humeurs, des vapeurs dans ces gouttes ; que, divisant encore ces dernières choses, il épuise ses forces en ces conceptions, et que le dernier objet où il peut arriver soit maintenant celui de notre discours ; il pensera peut-être que c’est là l’extrême petitesse de la nature. Je veux lui [à l’homme] faire voir là dedans un abîme nouveau. Je lui veux peindre non seulement l’univers visible, mais l’immensité qu’on peut concevoir de la nature, dans l’enceinte de ce raccourci d’atome. Qu’il y voie une infinité d’univers, dont chacun a son firmament, ses planètes, sa terre, en la même proportion que le monde visible ; dans cette terre, des animaux, et enfin des cirons, dans lesquels il retrouvera ce que les premiers ont donné; et trouvant encore dans les autres la même chose sans fin et sans repos, qu’il se perde dans ses merveilles, aussi étonnantes dans leur petitesse que les autres par leur étendue; car qui n’admirera que notre corps, qui tantôt n’était pas perceptible dans l’univers, imperceptible lui-même dans le sein du tout, soit à présent un colosse, un monde, ou plutôt un tout, à l’égard du néant où l’on ne peut arriver ? »

    1. Merci Monsieur de Reyff!
      Pour l’astérisque j’ai repris la définition de Wikipedia dans l’article concernant SgrA*…et j’aurais dû me méfier!
      J’aime beaucoup la citation de Blaise Pascal. C’est vrai que cette immensité aussi bien que cette profondeur qu’il suggère donne le vertige.
      Ceci dit je trouve que considérer un trou-noir comme un astre est une possibilité. En fait, le concept de trou-noir n’existait pas quand le mot astre est apparu dans notre vocabulaire pour désigner tout ce qui brille dans le ciel. Maintenant, après la découverte des trous-noirs, si l’on veut trouver un terme qui désigne toute masse dans l’espace, astre me semble assez approprié pour les englober. Si on veut restreindre le terme uniquement à ce qui rayonne, on pourrait nommer les trous-noirs « anti-astres »…quoique Stephen Hawking nous a montré que les trous noirs pouvaient aussi rayonner. On peut également dire que toute masse dans l’espace est génératrice de gravité et cette autre définition engloberait les trous-noirs.

  5. @monsieur DE REYFF_ Votre intervention m’apprend bien des choses. Alors, je m’aventure à poser quelques questions avec l’espoir de ne pas trop vous ennuyer: que sait-on déjà? Jusqu’où va notre connaissance actuelle de la production d’énergie de façon naturelle? Où en est-on? « Lorsque le gaz hydrogène va « plonger » vers le trou noir, il va émettre une énergie qui représente 10% de sa masse ». Si ce « plongeon » est plus ou moins violent selon la puissance du trou noir, d’autres trous noirs peuvent-ils extraire plus de 10% ou est-ce fixe, dû à une caractéristique de l’hydrogène? On ne sait pas imiter la fusion, alors, je pense qu’on ne peut même pas imaginer par quel phénomène cela se produit pour les trous noirs. Pourtant, je suis ébahi quand je lis la précision dans l’évaluation des énergies de photons émis lors de la mort d’une étoile massive (100 à 1000 gigaélectronvolts) et éjection de particules à presque la vitesse de la lumière! Si l’on pouvait savoir comment elles « font » ça! La masse importante est-elle impérative?

    1. J’ai été voir sur le site de la NASA et n’ai pas trouvé cette photo. Jusqu’à preuve du contraire c’est donc un « fake ». Dommage…mais pas surprenant.

        1. Effectivement, avec vos références, j’ai bien retrouvé cette photo sur le site de la NASA.
          Cette ouverture est curieuse. Les photos prises avant et après montrent que le rover Curiosity n’a fait que passer devant et je m’étonne/regrette qu’il ne se soit pas approché et ait pris une autre photo de face, montrant davantage l’intérieur. En effet, d’après ce que nous voyons, (1) il n’est pas évident que les deux murs latéraux soient parallèles et (2) que le plafond ne rejoigne pas très vite le sol. Auquel cas, cette porte serait simplement une anfractuosité naturelle dans la roche.
          Attendons voir mais ne nous emballons pas!

  6. La question de M. Martin (sur une possibilité d’extraire plus de 10% d’énergie à partir de la masse) est intéressante : il y a une formule très simple qui relie l’efficacité de conversion de la masse en énergie en fonction de la distance du disque d’accrétion et du rayon de Schwarzschild du trou noir : efficacité = (1/2) (Rs / R)
    On voit que la valeur théorique maximale de conversion serait 50% lorsque la particule massique atteint le rayon Rs. Cela est indépendant du rayon du trou noir et de l’espèce chimique de la matière qui y tombe.
    De fait, « notre » trou noir Sgr A* est en rotation (comme la grande majorité, sinon la totalité des trous noirs) et donc est un trou noir dit de Kerr et non de Schwarzschild, ce qui modifie un peu cette équation simple, et la valeur théorique maximale de conversion est alors de 42%. C’est là vraiment le maximum du taux de conversion possible de la masse en énergie, sauf à faire réagir directement de la matière avec une masse équivalente d’antimatière où le taux est par définition de 100%.
    Dans un disque d’accrétion, les particules de gaz (aux températures faibles) et de plasma (aux températures élevées) formant le disque orbitent de façon spiralée de plus en plus rapidement en perdant de l’énergie potentielle au profit d’une énergie cinétique et d’un rayonnement de plus en plus intense. On l’a vu, le rayon Rs du trou noir est de l’ordre de 12,25 millions de km, soit 0,082 UA, soit aussi 40 secondes-lumière, soit un point noir, invisible par définition, de 52 microsecondes d’arc au sein de la tache noire de la photo. Le rayon du disque d’accrétion est encore assez loin, situé à peut-être 1000 UA, soit 5,5 jours-lumière. À cette distance le taux de conversion n’est encore que de 42 millionièmes ! Comme il a été précisé, notre trou noir dévore actuellement très très peu de matière (l’équivalent « d’un grain de riz par million d’année pour une homme… »), l’accrétion de matière est donc un processus encore faible.

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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