« Le réseau mondial de télescopes ALMA va scruter un trou noir pour la première fois »

« Nous ne savons pas du tout à quoi ressemblera le trou noir. Peut-être que l’image qui apparaîtra n’aura rien de spectaculaire. L’important, c’est de voir la nature telle qu’elle est vraiment.

Nous sommes perchés sur un sommet vertigineux dans les Andes chiliennes, entourés par un troupeau de soixante-six géants blancs. À travers les larges fenêtres de l’immeuble où nous nous trouvions, on peut apercevoir de vastes antennes radio blanches se détachant sur le sol rouge du plateau désolé de Chajnantor, qui étend un paysage resque martien sous un ciel bleu d’une pureté indescriptible.

Nous sommes ici sur le site de l’Atacama Large Millimeter Array, également connu sous le nom d’ALMA, l’un des plus grands réseaux radiotélescopiques au monde, un partenariat international qui réunit des scientifiques de quatre continents. Au printemps 2017, ALMA, ainsi que huit autres télescopes à travers le monde, visera le centre de la Voie Lactée, à environ 25 000 années-lumière de la Terre, dans le but de capturer la première image d’un trou noir. Cet audacieux projet astronomique a été baptisé le Event Horizon Telescope (EHT).

Photo aérienne du site d’ALMA

Mon partenaire Dave Robertson et moi-même avons emporté des bouteilles d’oxygène afin de prévenir le mal de l’altitude, qui survient parfois au-dessus de 16 500 pieds. Notre guide Danilo Vidal, un chilien énergique qui porte ses cheveux noirs en queue de cheval, nous montre du doigt une porte en métal gris assortie d’une fenêtre vitrée. « Si nous ouvrons cette porte, dit Vidal, les scientifiques du monde entier nous haïront pour le reste de notre vie. » Intrigué par cette déclaration énigmatique, je prends une petite lampée d’oxygène puis jette un oeil à travers la vitre, qui donne sur le coeur de l’expérience.

Au milieu d’une forêt de processeurs, une boîte blanchâtre aux allures de réfrigérateur. Elle renferme le tout nouveau maser (pour Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), une horloge atomique ultra-précise qui synchronise les antennes du site entre elles, avant de synchroniser ALMA lui-même avec le réseau mondial de télescopes du Event Horizon Telescope. Ce système permet d’optimiser la puissance de traitement des images capturées par le réseau (doublant leur résolution), ainsi que le stockage de ces données.

Avec ce système, trois télescopes forment un super télescope capable d’observer une orange sur la lune

Pour empêcher le matériel de surchauffer, la pièce est maintenue à très basse température—très près du zéro absolu. Si nous avions ouvert la porte, m’explique Vidal, le système d’alarme se serait déclenché immédiatement, éteignant le maser afin de protéger son intégrité. Le coeur d’ALMA aurait ainsi cessé de battre, ruinant plusieurs projets astronomiques d’ampleur internationale, dont l’EHT.

Claudio Follert, spécialiste de la fibre optique d’ALMA, était présent lorsque le maser est arrivé en 2014. Il m’a confié qu’il n’avait jamais vu pareille machine auparavant, et que l’événement était d’autant plus solennel que l’EHT, basé au MIT, avait dépêché une escouade d’hommes mystérieux pour transporter la machine.

L’EHT repose en grande partie sur la précision stupéfiante du maser—environ un milliard de fois plus précis que l’horloge de votre smartphone.

Le plateau de Chajnantor

Conçu par une équipe internationale dirigée par un scientifique du MIT, Shep Doeleman, l’EHT est le premier système de télescopes de son espèce—il utilise une technique appelée interférométrie afin de synthétiser les données astronomiques provenant de sources multiples : ALMA, bien sûr, ainsi que le Grand Télescope Millimétrique au sommet du volcan Sierra Negra, au Mexique, et l’Observatoire National de Radioastronomie, en Virginie.

Ensemble, ces télescopes forment un supertélescope de la taille d’une planète, dont la précision est telle qu’elle permet d’observer une orange sur la lune.

Maintenant qu’ALMA a rejoint l’équipe des Avengers de l’espace, le réseau de télescopes est 10 fois plus sensible qu’il ne l’était auparavant. En conséquence, le groupe de Doeleman pense qu’il est suffisamment puissant pour pénétrer au coeur des nuages de gaz interstellaires qui occultent leur cible : les trous noirs supermassifs. Mis en orbite par la force gravitationnelle des trous noirs, ces gaz forment des nuages gigantesques dans lesquels les télescopes optiques ne distinguent rien.

Cependant, de faibles signaux radio en provenance des trous noirs se glissent au travers des nuages de gaz et sont finalement détectés par les instruments terrestres.

Les trous noirs sont des objets célestes qui ont acquis un statut quasi-mythique. Parce qu’aucune lumière ne s’en échappe, il demeurent invisibles. Nous n’avons que des preuves indirectes de leur existence, comme les oscillations gravitationnelles des orbites des étoiles voisines, le comportement des nuages de gaz interstellaires, et les jets de gaz qu’ils vomissent dans l’espace lorsqu’ils réduisent un objet visible en lambeaux.

Les trous noirs remettent en question notre conception de la réalité, au bas mot. Les physiciens Stephen Hawking et Kip Thorne ont d’ailleurs consacré des livres entiers à détailler les phénomènes incroyables qui seraient dus à la force gravitationnelle des trous noirs.

Une image du coeur de la Voie lactée par le télescope spatial à rayons X de la NASA, Chandra. Le trou noir supermassif est au centre de l’image.

On pense que les trous noirs se situent généralement au centre des galaxies, dont la nôtre. Prouvez l’existence de Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au coeur de la Voie Lactée, et vous pourrez résoudre un autre mystère : le mystère de l’origine de la vie telle que nous la connaissons.

« Le trou noir au centre de notre galaxie a un lien direct avec nos origines », a déclaré Violette Impellizzeri, une astronome d’ALMA collaborant sur le projet Event Horizon Telescope. « On pense que les trous noirs supermassifs déterminent le destin des étoiles qui les entourent, influençant leur formation et leur orbite. Aussi, comprendre comment notre galaxie s’est formée, c’est comprendre comment notre existence est possible », ajoute-t-elle.

Les scientifiques estiment que la masse de Sagittarius A* est équivalente à 4 millions de fois celle de notre soleil, et que son diamètre équivaut à la distance Soleil-Mercure—qui est relativement courte, à l’échelle cosmique. La densité du trou noir est assortie d’une force gravitationnelle si forte qu’elle déforme le temps et l’espace, rendant le trou noir invisible.

La théorie actuelle, soutenue par Thorne, est que la distance entre le centre d’un trou noir, la singularité, et son bord, l’horizon d’événement, est si déformée qu’elle se rapproche d’une longueur infinie. Les photons sont incapables de s’échapper de ce piège vicieux.

Doeleman, chef de projet au MIT, a un jour décidé que pour voir l’invisible, il fallait d’abord inventer un nouveau type de vision. Or, avec ALMA et avec le réseau EHT, nous pouvons prendre une « photographie » radio de la matière qui orbite autour de Sagittarius A *—c’est-à-dire son disque d’accrétion—afin d’avoir un aperçu du trou noir. Cet aperçu, ce serait le premier portrait de trou noir de toute l’histoire de l’astronomie.

Notre guide Vidal ainsi que le spécialiste de la fibre optique, Follert, nous ont ensuite fait visiter le plateau. Les techniciens étaient en pleine ébullition : l’une des antennes était coincée par un récepteur radio endommagé.

Chajnantor est situé dans le désert d’Atacama au Chili, l’endroit le plus sec sur Terre (après les pôles) ; il est balayé par les vents et bénéficie d’un ensoleillement exceptionnel. Quoique inhospitalier pour les êtres humains, Chajnantor est un cadre idéal pour un radiotélescope : l’altitude du site le rapproche des étoiles, et l’élève au-dessus des nuages.

Pour certains, comme les employés d’ALMA ou comme Doeleman, l’environnement extrême fait partie intégrante du charme du site. « J’adore approcher les télescopes », dit-il. À 50 ans, Doeleman est un homme en pleine forme dont les lunettes et la calvitie naissante lui donnent des airs de scientifique de film. Sa personnalité extravertie et sa vigueur générale reflètent son tempérament d’explorateur et sa répugnance à rester assis derrière un bureau.

Doeleman voyage régulièrement pour visiter les autres sites EHT, qui sont eux aussi situés dans des environnements extrêmes, comme les Andes ou la Sierra Negra. « L’aventure me motive énormément—conduire sur des routes désertes en flanc de montagne, installer de nouveaux instruments, faire des observations que personne n’a jamais faites avant moi, voilà ce que j’aime. Je ressemble un peu à Jacques Cousteau—je ne suis pas de ces scientifiques qui peuvent rester très longtemps dans un bureau. »

En sortant des bâtiments, ma tête a commencé à tourner. J’ai essayé de garder ma respiration régulière : la raréfaction de l’oxygène a tôt fait de ruiner les facultés mentales. Sur le plateau, Dave et moi paraissions minuscules face aux antennes d’ALMA, qui occultaient le soleil du désert. Elles paraissaient à la fois puissantes et étranges, comme les statues de l’île de Pâques. Même en se tenant juste à côté de ces monstres, il était impossible de deviner comment ils étaient contrôlés : ils pivoter sans préavis, de leur propre initiative.

Une antenne ALMA est inutile lorsque l’un de ses récepteurs radio est désactivé. Nous avons donc suivi Follert et monté une gigantesque échelle d’acier, jusqu’à une salle de maintenance dissimulée à l’intérieur d’une des antennes. Nous l’avons aidé à enlever le récepteur endommagé, un long cylindre métallique qui ressemblait à une sorte de bazooka futuriste.

Vidal nous a ensuite conduits en bas de la montagne, à l’Operations Support Facility (OSF), siège d’ALMA, afin que nous puissions voir le laboratoire qui gère lesdits récepteurs.

En vertu de la réglementation internationale, extrêmement stricte, Vidal était obligé de respirer à travers un masque à oxygène tout en conduisant, afin de prévenir une perte de conscience au volant.

Pendant notre descente, Vidal a vérifié notre position par radio à intervalles réguliers. Tout autour de nous, les pentes des montagnes étaient rouges, rocheuses et stériles. Pas étonnant que la NASA déploie régulièrement des expéditions dans le désert afin de simuler les conditions de vie sur Mars.

Située à 2740 mètres d’altitude, l’OSF constitue « un foyer » pour le personnel d’ALMA : 600 scientifiques travaillant ici, dont des ingénieurs et des techniciens de plus de 20 pays. Les conditions de travail peuvent être extrêmes. Le personnel demeure isolé de ses proches pendant des semaines, et doit faire face à des risques de santé à court et à long terme, dont des AVC et des œdèmes pulmonaires.

Les employés sont donc surveillés en permanence par du personnel médical, et ont toujours de l’oxygène et un caisson hyperbare à disposition.

Ils se détendent en faisant de l’exercice et en regardant des films, même si certains films de SF sont mal indiqués. « Parfois, nous en avons ras-le-bol de l’espace », explique Follert. Il est interdit de consommer de l’alcool sur le site, car il risque d’amplifier les risques liés à la haute altitude.

Photo aérienne de l’Operations Support Facility d’ALMA

À ALMA, le travail d’équipe est essentiel à la bonne marche de l’observatoire. Détecter des signaux radio cosmiques, y compris ceux envoyés par un trou noir, nécessite une coopération constante entre les équipes qui doivent calibrer, entretenir et réparer continuellement leurs instruments afin d’éliminer le bruit.

ALMA et les autres télescopes de l’EHT vont bientôt tourner leur nez vers le centre de la Voie Lactée, afin de s’adapter à la radiofréquence du trou noir. Les données collectées par ALMA seront si volumineuses qu’elles ne pourront être transférées par Internet. Les disques durs physiques seront expédiés par « sneakernet », c’est-à-dire chargés sur un 747 et apportés directement au MIT.

Lorsque les données ALMA sont corrélées avec les données obtenues par les autres télescopes, Sagittarius A* devrait apparaître contre le disque d’accrétion rougeoyant. Peut être.

En fait, explique Doeleman, « nous ne savons pas du tout à quoi ressemblera le trou noir. La nature est parfois cruelle. Peut-être que l’image qui apparaitra n’aura rien de spectaculaire, mais ce n’est pas grave. L’essentiel, c’est de voir la nature telle qu’elle est. »

Sources

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