Cartographier un trou noir

Ken Tapping, le 26 janvier 2016

Dans le ciel cette semaine…

  • Quatre planètes se lèvent au sud-est à 21 h, à 2 h, à 5 h et à 6 h, respectivement, Jupiter (brillante), Mars (plus terne), Saturne (modérément brillante) et Vénus (éclatante).
  • Mercure se fond dans les lueurs du levant.
  • La Lune entrera dans son dernier quartier le 31.

Le Canada fut le tout premier pays à utiliser avec succès à une technique de radioastronomie appelée « interférométrie à très grande base », exploit réalisé dans les années 1960. Grâce à des horloges de grande précision et à des techniques d’enregistrement de données plutôt inusitées, il devenait possible de combiner les signaux de plusieurs radiotélescopes, situés à des milliers de kilomètres de distance, comme s’ils avaient été captés par un même instrument gigantesque, d’une taille comparable à celle de la Terre. En utilisant plusieurs antennes spatiales, on peut obtenir un champ d’observation encore plus vaste. Ce gigantisme des radiotélescopes se justifie par le fait que les ondes radio sont beaucoup plus longues que les ondes lumineuses.

La résolution des télescopes est fonction de la taille des lentilles ou des miroirs sur lesquels se forment les images par rapport à la longueur d’onde des signaux captés. Nos pupilles ont habituellement un diamètre de quelques millimètres. Or la longueur d’onde de la lumière, signal avec lequel nous appréhendons notre environnement, est de quelques centaines de nanomètres (milliardièmes de mètre). Nos pupilles sont donc énormes en comparaison, si bien que nous pouvons distinguer des détails aussi infimes qu’une minute d’arc, 1/16 de degré ou environ 1/30 du diamètre de la pleine lune. Le radiotélescope de synthèse de notre observatoire, qui fonctionne à des longueurs d’onde de 21 cm, a la même capacité de résolution que l’œil humain, mais pour l’atteindre, il lui faut un réseau d’antennes linéaire de 600 mètres de longueur. C’est pourquoi nous devons recourir à l’interférométrie à très grande base pour obtenir des images détaillées des objets fascinants qui se trouvent aux confins du cosmos. Qui plus est, ces objets sont souvent complètement sombres ou s’ils émettent de la lumière, c’est par un phénomène autre que celui servant à produire des ondes radio. Il faut donc recourir à la radioastronomie pour les observer. Parfois, la lumière émise par ces objets est bloquée par des nuages de gaz et de poussières, si bien que seules les ondes radio peuvent révéler leur présence. Voilà qui nous amène à une nouvelle expérience qui suscite beaucoup d’enthousiasme. Des radiotélescopes de partout dans le monde seront réunis pour former un immense interféromètre à très grande base qui permettra d’étudier de près notre tout premier trou noir. Nous avons déduit par des calculs la nature de ces formations et avons découvert des objets très éloignés qui semblent en être, mais nous n’avons jamais pu les observer de près.

Les trous noirs figurent parmi les objets les plus étranges de l’Univers connu. Nous savons qu’ils peuvent se former lorsqu’une étoile géante s’effondre sur elle-même jusqu’à ce que la force gravitationnelle devienne si grande qu’elle déforme l’espace-temps autour d’elle et empêche même la lumière de s’échapper. Toute la matière se trouve alors comprimée dans un espace vaguement sphérique appelé « horizon des évènements ». Tout ce qui franchit l’horizon du trou noir tombera indéfiniment sans jamais en ressortir.

La plupart des grandes galaxies, dont la nôtre, abriteraient un trou noir en leur centre. Ces objets seraient nés à la mort d’étoiles et auraient cannibalisé leur voisinage pendant des milliards d’années. Ils pourraient aussi être apparus au début de l’Univers ou à la naissance des galaxies. Les trous noirs au centre des galaxies sont des objets supermassifs. Celui au cœur de la Voie lactée aurait une masse équivalant à un million de fois celle du Soleil, comprimée dans une boule d’à peine 12 km de diamètre. Celle-ci est entourée d’un disque de matière très chaude, formé de morceaux arrachés à des étoiles, à des planètes et à des nuages de gaz qui se sont aventurés trop près. La matière capturée par le champ gravitationnel tourne dans une spirale du trou noir, de plus en plus chaude, et finit par disparaître derrière l’horizon des évènements. Elle atteint des températures suffisantes pour émettre des rayons lumineux, des rayons X et des ondes radio capables de stériliser toute planète captive avant qu’elle ne se pulvérise et se fonde dans le disque de matière tourbillonnante

Le cœur de notre galaxie est toutefois voilé par un nuage de gaz et de poussière parfaitement opaque de 30 000 années-lumière d’épaisseur. Pour l’observer, il faut donc recourir à des radiotélescopes et à l’interférométrie à très grande base.

 

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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