"Ensemble, les images de M87* et SgrA* démontrent l'existence des trous noirs"

Eric Gourgoulhon, spécialiste des trous noirs au laboratoire Univers et théories de Meudon (CNRS, Observatoire de Paris), étudie depuis des années les trous noirs SgrA* et M87*. Habitué aux simulations sur ordinateur, il nous confie son émotion de les voir "en vrai", et décrypte une image pas si simple à comprendre...

Sciences et Avenir : Vous vous consacrez depuis plusieurs années à l’étude théorique des trous noirs. Qu’avez-vous ressenti lors de la révélation de l’image de SgrA* ?

Eric Gourgoulhon : C’était un moment fabuleux. Lorsque j’ai commencé à m’intéresser aux trous noirs, j’étais loin d’imaginer que je pourrais un jour en voir un en "vrai", et pas seulement une simulation. Alors deux trous noirs ! Car c’est selon moi l’aspect le plus important de ce résultat : nous avons désormais l’image de deux trous noirs, et donc la preuve de leur existence.

Pourtant, on peut être un peu déçu que l’image de SgrA* ressemble beaucoup à M87* révélée en avril 2019.

Pour les astrophysiciens, cette ressemblance est au contraire très réconfortante. Cela correspond bien aux simulations des trous noirs dont l’aspect ne change pas fondamentalement en fonction de leur masse. Et c’est un soulagement. Car tant que nous n’avions que M87*, on pouvait se dire que cela pouvait être une coïncidence. La résolution n’est pas très bonne : nous aurions pu l’interpréter comme un trou noir car nous avions envie de voir un trou noir. Mais avec une deuxième image de ce type, il n’y a plus de doute.

En fait de trou noir, on distingue surtout une sorte d’anneau de feu entourant une masse sombre. Que voit-on réellement ?

L’image est en effet plus délicate à interpréter qu’on ne l’imagine. Le trou noir est au centre et il est bien entendu invisible puisqu'aucune lumière ne peut en sortir. Autour, "l’anneau de feu" comme vous dites, est ce que nous appelons "la sphère des photons" qui n’est pas le disque d’accrétion proprement dit. Les photons sont bien émis par le gaz accéléré par l’attraction gravitationnelle du trou noir. Mais ils ne voyagent pas en ligne droite vers notre œil pour former l’image du disque. Ils sont temporairement piégés par le trou noir et leur trajectoire est très complexe. Des photons sont émis depuis une partie du disque, ils passent derrière le trou noir, en font plusieurs fois le tour, puis ils s’approchent de la sphère des photons. Ils s’y concentrent et c’est de là qu’ils partent pour arriver jusqu’à nous…

On ne voit donc pas directement le disque d’accrétion ?

Non, nous voyons essentiellement la sphère des photons. C’est le manque de résolution qui le rend si épais. Si nous disposions d’une meilleure définition, ce disque apparaitrait comme beaucoup plus fin, presque un trait.

Et à quoi correspondent les trois taches lumineuses que l’on voit sur l’anneau ?

Comme l’expliquent les auteurs dans un des articles publiés avec l’image, il s’agit probablement d’artefacts dus au manque de résolution du réseau de télescopes. Cette image est une reconstruction à partir des données d’interférométrie de seulement huit radiotélescopes à la surface du globe. En théorie, pour reconstruire finement l’image, il faudrait que la Terre soit tapissée de télescopes. Donc ces taches ne correspondent à rien, sauf peut-être la plus brillante. On en retrouve une du même genre sur M87*. Cela pourrait être un effet relativiste, une amplification lumineuse de la partie du disque qui vient vers nous…

Quels types d’informations peut-on extraire de cette image ?

La plus importante est la masse du trou noir. Son "ombre", la tache sombre au centre de l’image, a en effet un diamètre directement proportionnel à sa masse. Elle correspond à un peu plus de 4 millions de masses solaires. C’est conforme à l’estimation qui avait été faite en mesurant la vitesse des étoiles proches du trou noir, et qui subissent son attraction. Si nous disposions d’une meilleure résolution, nous pourrions aussi tenter de déterminer le moment cinétique qui traduit la rotation du trou noir sur lui-même. Cette vitesse de rotation a une influence sur la forme de l’anneau. Si elle est nulle, l’anneau est parfaitement circulaire. Si, au contraire, il tourne rapidement, l’anneau aurait la forme de la lettre "D", avec un côté "écrasé". Là encore, un article publié avec l’image tente une estimation à partir de simulations. Ils concluent à une vitesse assez rapide, mais je pense qu’il faut prendre ce résultat avec précaution. La résolution est vraiment trop mauvaise.

Après M87* et SgrA*, quelles pourraient être les prochaines cibles de la collaboration EHT ?

Ces deux trous noirs constituent des candidats idéaux pour l’observation car ils sont les plus gros sur le plan du ciel. La suite va donc surtout consister à affiner la résolution des images. D’autant plus qu'une nouvelle campagne d'observations a eu lieu en mars 2022 avec un EHT passé de 8 radiotélescopes à 11 ! Mais il est vrai que ce serait formidable d’ajouter un troisième trou noir à la collection. Je ne vois guère comme candidat que celui qui se trouve au centre de la galaxie d’Andromède [à 2,55 millions d’années-lumière de la Terre]. Son diamètre apparent devrait être deux fois plus petit que M87* et SgrA* mais il est à portée de l’EHT…

Comparaison de la taille des deux trous noirs supermassifs, l'un au centre de la galaxie M87, l'autre au cœur de la Voie lactée

EHT COLLABORATION (ACKNOWLEDGMENT: LIA MEDEIROS, XKCD)