En effectuant une expérience pilote sur des galaxies lointaines, le réseau de télescopes Event Horizon (EHT) a capturé les images à la plus haute résolution jamais obtenue depuis la surface de la Terre. En utilisant une technique appelée « interférométrie à très longue base » (VLBI), le réseau a obtenu une résolution impressionnante de 19 microsecondes d’arc. Cela devrait permettre à l’avenir de capturer des images de trous noirs 50 % plus détaillées qu’à ce jour.
L’EHT est un ensemble de 11 puissants radiotélescopes répartis sur 9 sites à travers le monde et conçus pour étudier l’horizon des événements des trous noirs. Œuvrant en synergie, le réseau permet d’obtenir une résolution équivalente à un gigantesque télescope qui ferait virtuellement la taille de la Terre. Cela a par exemple permis de capturer des images directes de M87*, le trou noir supermassif au centre de la galaxie M87, situé à 55 millions d’années-lumière de notre planète et de Sagittarius A* (Sgr A*), celui au centre de notre galaxie, situé à 27 000 années-lumière.
Ces images ont été capturées à l’aide de la technique VLBI, qui consiste à utiliser un réseau de télescopes synchronisés indépendamment, séparés par de grandes distances et observant une cible commune. La résolution spatiale (ou angulaire) évolue inversement avec la distance entre les télescopes. Cela signifie qu’elle augmente à mesure que les stations d’observation sont éloignées les unes des autres. Afin d’obtenir des images de plus grande résolution, les astronomes ont généralement recours soit à cette technique, soit à des télescopes plus grands et plus puissants.
Cependant, malgré l’impressionnante résolution des télescopes synchronisés, les images précédemment obtenues étaient peu claires. « Avec l’EHT, nous avons vu les premières images de trous noirs en utilisant les observations à une longueur d’onde de 1,3 mm, mais l’anneau brillant que nous avons vu, formé par la courbure de la lumière dans la gravité du trou noir, semblait toujours flou parce que nous étions aux limites absolues de la netteté que nous pouvions obtenir sur les images », explique dans un communiqué de l’Observatoire européen austral (ESO) Alexander Raymond du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, co-directeur de la nouvelle étude.
De plus, étant donné que l’EHT a une taille équivalente à celle de la Terre, augmenter sa résolution nécessite une approche différente, consistant notamment à effectuer les observations à une longueur d’onde plus courte. Raymond et son équipe ont obtenu la plus haute résolution jamais atteinte en effectuant leurs observations à une longueur d’onde de 0,87 mm. « À 0,87 mm, nos images seront plus nettes et plus détaillées, ce qui à son tour révélera probablement de nouvelles propriétés, à la fois celles qui étaient prédites auparavant et peut-être certaines qui ne l’étaient pas », suggère l’expert.
La résolution la plus élevée obtenue avec un observatoire terrestre
Bien que des observations à 0,87 mm aient auparavant été réalisées avec succès, l’utilisation de la technique VLBI à cette longueur d’onde comportait d’importants défis techniques. En effet, la vapeur d’eau dans l’atmosphère absorbe beaucoup plus les ondes à 0,87 mm que celles à 1,3 mm, ce qui entrave la réception des signaux des trous noirs aux longueurs d’onde plus courtes.
L’équipe de la nouvelle étude est parvenue à contourner cet obstacle en améliorant la configuration de deux sous-réseaux des 11 radiotélescopes de l’EHT. Cela inclut l’Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (ALMA) et l’Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), ainsi que le télescope de 30 mètres de l’IRAM en Espagne, le Northern Extended Millimeter Array en France, le télescope du Groenland et le Submillimeter Array à Hawaï. « C’est un peu comme si l’EHT portait des lunettes », explique le coauteur de l’étude Sheperd Doeleman, du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian, à Astronomy.com.
Pour effectuer leurs tests, les chercheurs ont ciblé les galaxies J0423−0120, J0510+1800, J0521+1638,411 et J0522−3627, couramment utilisées pour étalonner les télescopes avant les campagnes d’observation. Très brillantes, elles sont détectables par tous les télescopes, ce qui en fait d’excellentes cibles pour des essais.
L’équipe de la nouvelle étude — publiée dans The Astronomical Journal — a obtenu une résolution de 19 microsecondes d’arc, soit la plus élevée jamais obtenue avec les observatoires terrestres. Cependant, bien que le réseau ait détecté la lumière des galaxies, il n’a pas encore pu obtenir d’images. Un plus grand nombre de radiotélescopes est en effet nécessaire afin de pouvoir reconstruire avec précision une image à partir des données obtenues.
Une résolution qui permettrait de discerner une capsule de bouteille à la surface de la Lune
Les chercheurs estiment qu’avec leur nouvelle technique, l’ensemble du réseau EHT permettrait d’obtenir une résolution de 13 microsecondes d’arc, ce qui équivaudrait à discerner une capsule de bouteille à la surface de la Lune depuis la Terre. En effectuant les observations à 0,87 mm (donc à une fréquence de 345 GHz), les images de trous noirs obtenues auraient une résolution 50 % supérieure à celle des images récentes avec une longueur d’onde de 1,3 mm.
Il serait en outre possible d’observer des trous noirs plus éloignés, plus petits et nettement moins brillants, simultanément à des longueurs d’onde de 1,3 mm et 0,87 mm. D’autre part, cette extension de la gamme d’observation offre la possibilité d’obtenir des images en couleur. « Ce seront des images en fausses couleurs, mais vous pourrez voir à quoi ressemblent Sgr A* ou M87 à différentes fréquences », explique Doeleman. Cela permettrait d’observer en détail la dynamique de la matière entourant les trous noirs. Dans cette vision, les membres du consortium EHT prévoient prochainement de cibler les trous supermassifs des galaxies proches avec le réseau amélioré.
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