Les scientifiques et la technologie africains pourraient conduire à de futures découvertes de trous noirs

Les astronomes ont révélé la première image du trou noir au centre de notre galaxie, la Voie Lactée. L’image a été produite par la collaboration Event Horizon Telescope (EHT), une équipe internationale composée de plus de 300 scientifiques sur cinq continents, dont l’Afrique.

Les trous noirs ont été prédits par la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein il y a plus d’un siècle. Ce sont des régions de l’espace si denses que rien, y compris la lumière, ne peut s’en échapper. Leur limite est connue sous le nom d’horizon des événements, qui marque le point de non-retour. Ce n’est qu’une des raisons pour lesquelles ces objets sont cachés à nos yeux. L’autre est qu’ils sont extrêmement petits, lorsqu’ils sont placés dans leur contexte cosmique. Si notre galaxie, la Voie lactée, avait la taille d’un terrain de football, l’horizon des événements de son trou noir serait un million de fois plus petit qu’une piqûre d’épingle au centre du terrain.

Comment, alors, peut-on les photographier ? Notre équipe l’a fait en capturant la lumière du gaz tourbillonnant chaud à proximité immédiate du trou noir. Cette lumière, d’une longueur d’onde de 1 millimètre, est enregistrée par un réseau mondial d’antennes qui forment un seul télescope virtuel de la taille de la Terre.

La lumière ressemble plutôt à un anneau, une signature caractéristique qui est la conséquence directe de deux processus clés. Tout d’abord, le trou noir est si dense qu’il dévie le chemin de la lumière près de lui. Deuxièmement, il capture la lumière qui s’éloigne trop près de l’horizon des événements. L’effet combiné produit une soi-disant ombre de trou noir – un anneau éclairé entourant un déficit distinct de lumière centré sur le trou noir. Dans le cas de notre trou noir de la Voie lactée, cet anneau a la taille apparente d’un beignet sur la lune, nécessitant un effort d’ingénierie extraordinaire pour le mettre au point.

Le dévoilement d’une image de notre trou noir, Sagittarius A* , n’est pas seulement un grand moment pour la science. Il pourrait également être un catalyseur important pour diversifier la recherche africaine en astrophysique en utilisant les forces existantes. Nous étions les deux seuls des plus de 300 membres de l’équipe EHT basés sur le continent africain. Le continent n’héberge aucun télescope EHT – nous avons été recrutés en raison de l’expertise que nous avons développée en préparation du plus grand radiotélescope au monde, le Square Kilometre Array (SKA), qui sera co-organisé par l’Afrique du Sud et l’Australie.

Pourquoi l’image est importante

Ce n’est pas la première fois qu’une image de trou noir attire l’attention des gens. Nous étions également membres de l’équipe qui a capturé la toute première image d’un trou noir en 2019 (celui-ci est au centre d’une autre galaxie, Messier 87, qui est à 55 millions d’années-lumière). On estime que plus de 4,5 milliards de personnes ont vu cette image. Le Sagittaire A* a également dominé les gros titres et captivé l’imagination des gens.

Mais il y a plus dans ce résultat qu’une simple image incroyable. Une pléthore de résultats scientifiques riches a été décrite dans dix publications par l’équipe. Voici trois de nos principaux points forts.

Premièrement, l’image est une validation remarquable de la théorie générale de la relativité d’Einstein. L’EHT a maintenant imagé deux trous noirs avec des masses qui diffèrent d’un facteur supérieur à 1000. Malgré la différence spectaculaire de masse, la taille et la forme mesurées sont conformes aux prédictions théoriques.

Deuxièmement, nous avons maintenant imagé des trous noirs avec des environnements très différents. De nombreuses recherches antérieures au cours des deux ou trois dernières décennies montrent des preuves empiriques solides que les galaxies et leurs trous noirs co-évoluent au cours du temps cosmique, malgré leurs tailles complètement disparates. En zoomant sur l’horizon des événements des trous noirs dans des galaxies géantes comme M87, ainsi que des galaxies plus typiques comme notre propre Voie lactée, nous en apprenons davantage sur la façon dont cette relation apparemment invraisemblable entre le trou noir et sa galaxie hôte se joue.

Troisièmement, l’image nous fournit de nouvelles informations sur le trou noir central de notre propre maison galactique. C’est la bête la plus proche de la Terre, elle fournit donc un laboratoire unique pour comprendre cette interaction – un peu comme scruter un arbre dans votre propre jardin pour mieux comprendre les forêts à l’horizon lointain.

L’avantage géographique de l’Afrique australe

Nous sommes fiers de faire partie de l’équipe qui a produit les premières images de trous noirs. À l’avenir, nous pensons que l’Afrique du Sud, et plus largement le continent africain (y compris une initiative conjointe néerlando-namibienne ), pourraient jouer un rôle essentiel dans la réalisation des premiers films sur les trous noirs.

Comme cela a été le cas avec le rôle clé du pays dans la paléoanthropologie, certaines contributions à l’astronomie mondiale ne peuvent être apportées qu’à partir du sol sud-africain. Le Sagittaire A* se trouve dans le ciel austral, passant directement au-dessus de l’Afrique du Sud. C’est une des principales raisons pour lesquelles cette image du centre de la Voie lactée, prise par le MeerKAT (un précurseur du SKA) est la meilleure qui soit.

L’Afrique du Sud dispose également d’infrastructures bien établies sur ses sites astronomiques, qui sont protégés par la législation. Et il a des ingénieurs de classe mondiale à la pointe de leur métier. Cela permet d’obtenir des télescopes peu coûteux et performants livrés à temps et dans les limites du budget.

La nouvelle technologie est également de notre côté : une conception de récepteur multifréquence simultanée de pointe, lancée par nos collègues coréens, signifie que les sites EHT n’ont plus besoin d’être les emplacements les plus vierges et à haute altitude sur Terre.

Tous les éléments sont en place pour une augmentation spectaculaire du nombre de jeunes Africains qui participent à cette nouvelle ère de l’imagerie des trous noirs et des tests de gravité de précision. Dans les années à venir, nous espérons écrire sur des découvertes qui n’auraient pas pu être faites sans la technologie sur le sol sud-africain, ainsi que sur des scientifiques africains à la tête d’une science EHT à fort impact et à haute visibilité en synergie avec notre astronomie multi-longueur d’onde et programmes d’astrophysique des hautes énergies.

Iniyan Natarajan

Chercheur postdoctoral, Wits Center for Astrophysics, Université du Witwatersrand