Focus sur les premiers résultats du télescope Horizon

Nous rapportons la première image d’un trou noir.
Ce numéro de Focus montre des images d’ultra-haute résolution angulaire des émissions radio du trou noir supermassif censé se trouver au cœur de la galaxie M87 (Figure 1). Une caractéristique de ces images est un anneau brillant irrégulier mais clair, dont la taille et la forme concordent étroitement avec l’orbite photonique à lentilles attendue d’un trou noir de 6,5 milliards de masse solaire. Peu de temps après l’introduction de la relativité générale par Einstein, les théoriciens ont établi la forme analytique complète de l’orbite des photons et simulé pour la première fois son apparence cristallisée dans les années 1970. Dans les années 2000, il était possible d’esquisser "l’ombre" formée dans l’image lorsque l’émission synchrotron d’un flux d’accrétion optiquement mince se cristallisait dans la gravité du trou noir. Pendant ce temps, des preuves d’observation ont commencé à se construire pour l’existence de trous noirs au centre des galaxies actives et dans notre propre Voie Lactée. En particulier, une progression régulière de la radioastronomie a permis des observations d’interférométrie de très longue base (VLBI) à des longueurs d’onde toujours plus courtes, ciblant des trous noirs supermassifs présentant les plus vastes horizons d’événements apparents : M87 et Sgr A * au centre galactique. Les tailles compactes de ces deux sources ont été confirmées par des études à 1,3 mm, exploitant d’abord des lignes de base allant d’Hawaï au continent américain, puis avec une résolution accrue des lignes de base vers l’Espagne et le Chili.

Au cours de la dernière décennie, l’EHT a étendu ces premières mesures de taille pour lancer la campagne plus ambitieuse d’imagerie de l’ombre elle-même. Du 5 au 11 avril 2017, le télescope Event Horizon (EHT) a observé M87 et ses calibreurs quatre jours différents à l’aide d’un réseau comprenant huit radiotélescopes répartis sur six emplacements géographiques : Arizona (États-Unis), Chili, Hawaii (États-Unis) et Mexique. , le pôle Sud et l’Espagne (Figure 2). Des années de préparation (et une étonnante avalanche de beau temps sur toute la planète) ont porté leurs fruits avec un rendement extraordinaire en données de plusieurs pétaoctets ( <math|f= 2^{50} \approx 10^{15}> ).
Les résultats présentés ici, des observations à l’interprétation en passant par les images, proviennent d’une équipe d’instruments, d’algorithmes, de logiciels, de modélisation et d’experts en théorie, à la suite d’un effort énorme de la part d’un groupe de scientifiques qui couvrent toutes les étapes de la carrière, des étudiants de premier cycle aux membres chevronnés du domaine.
Plus de 200 membres de 59 instituts de 20 pays et régions ont consacré des années à cet effort, tous unis par une vision scientifique commune.

La série de lettres de ce numéro présente l’ensemble du projet et les conclusions tirées à ce jour. Le document II s’ouvre avec une description de la matrice EHT, des développements techniques qui ont permis la détection de précurseurs et de la gamme complète d’observations rapportées ici. Grâce au déploiement d’instruments novateurs dans les installations existantes, la collaboration a permis de créer un nouveau télescope doté de fonctionnalités uniques pour l’imagerie des trous noirs. Le document III détaille les observations, le traitement des données, les algorithmes d’étalonnage et des protocoles de validation rigoureux pour les produits de données finaux utilisés pour l’analyse. Le document IV présente l’ensemble du processus et de la méthode de reconstruction de l’image. Les images finales sont apparues après une évaluation rigoureuse des algorithmes d’imagerie traditionnels et de nouvelles techniques adaptées à l’instrument EHT, ainsi que de nombreux mois de test des algorithmes d’imagerie par l’analyse de jeux de données synthétiques.
Le document V utilise des bibliothèques nouvellement assemblées de simulations magnétohydrodynamiques relativistes générales (GRMHD) et de lancés de rayons perfectionné pour analyser les images et les données dans le contexte de l’accrétion de trous noirs et du lancement par jet. Le document VI utilise des ajustements de modèle, la comparaison de simulations avec des données et l’extraction de caractéristiques à partir d’images pour obtenir des estimations formelles de la taille et de la forme de la bague d’émission de lentilles, de la masse du trou noir et des contraintes relatives à la nature du trou noir et à l’espace-temps qui l’entoure . Le document I est un résumé concis.

Notre image de l’ombre limite la masse de M87 à l’intérieur de son orbite à photons, ce qui constitue le cas le plus solide pour l’existence de trous noirs supermassifs. Ces observations concordent avec l’éclaircissement Doppler d’un plasma en mouvement relativiste près du trou noir focalisé autour de l’orbite des photons. Ils renforcent le lien fondamental entre les noyaux galactiques actifs et les moteurs centraux alimentés par l’accrétion de trous noirs grâce à une approche entièrement nouvelle. Dans les années à venir, la collaboration EHT étendra ses efforts pour inclure la polarimétrie complète, la cartographie des champs magnétiques à des échelles d’horizon, des enquêtes sur la variabilité temporelle et une résolution accrue grâce à des observations plus courtes en longueur d’onde.
En bref, ces travaux marquent le développement d’un nouveau domaine de recherche en astronomie et en physique, car nous nous concentrons sur les images de précision des trous noirs à l’échelle de l’horizon. Les chances de mieux cibler nos efforts sont excellentes.

M87-1 : l’ombre du trou noir supermassif

https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_EHT