Divers

Comment la première photo d'un trou noir a-t-elle été prise?

Comment la première photo d'un trou noir a-t-elle été prise?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Le mercredi 10 avril, le monde a eu droit à quelque chose d'inédit: la toute première image d'un trou noir! Plus précisément, l'image a capturé le trou noir supermassif (SMBH) au centre de M87 (alias. Virgo A), une galaxie elliptique supergéante de la constellation de la Vierge.

Déjà, cette image est comparée à des images comme le "point bleu pâle" prises par le Voyager 1 mission ou l'image "Earthrise" prise par Apollo 8. Comme ces images, l'image du trou noir M87 a captivé l'imagination des gens du monde entier.

Cette réalisation s'est appuyée sur des années de travail acharné impliquant des astronomes, des observatoires et des institutions scientifiques du monde entier. Comme pour la plupart des réalisations de ce calibre, d'innombrables personnes ont joué un rôle et méritent d'être félicitées pour y parvenir.

Mais comme toujours, il y avait une poignée de personnes dont les contributions se démarquent vraiment. En outre, capturer la toute première image d'un trou noir dépendait de beaucoup de technologies spécialisées et de méthodes scientifiques, qui méritent également l'attention. Vous pourriez dire que son accomplissement historique a eu une accumulation historique!

Ceux qui l'ont fait:

Depuis que le projet EHT a publié la première image d'un trou noir, Katherine Bouman est devenue un nom familier. Mais qui est au juste ce chasseur de trous noirs dont le travail nous a aidés à regarder le visage de l'un des phénomènes les plus mystérieux de l'Univers?

CONNEXES: KATIE BOUMAN: L'ESPRIT BRILLANT QUI NOUS A DONNÉ L'IMAGE D'UN TROU NOIR

Bouman a obtenu son doctorat. Génie électrique et informatique au Massachusetts Institute of Technology (MIT) en 2017. Depuis, Bouman a travaillé comme chercheuse postdoctorale avec le projet Event Horizon Telescope, où elle a appliqué des méthodes informatiques émergentes pour repousser les limites de la technologie d'imagerie.

Parmi ses contributions, il y a le développement d'un algorithme qui a joué un rôle déterminant dans l'obtention de l'image, connu sous le nom de reconstruction d'image continue à haute résolution en utilisant des priors de patch (CHIRP). Bien que CHIRP lui-même n'ait pas été utilisé, il a inspiré les procédures de validation d'image utilisées, que Bouman a également joué un rôle important dans le développement.

CONNEXES: IMAGE D'UN TROU NOIR RÉVÉLÉ POUR LA PREMIÈRE FOIS JAMAIS

En plus de vérifier et de sélectionner les paramètres de filtrage des images prises par l'EHT, elle a également contribué au cadre d'imagerie qui comparait les résultats de différentes techniques de reconstruction d'image. Après la publication de l'image du trou noir, une photo de Bouman souriant devant un écran d'ordinateur a commencé à devenir virale sur Internet.

Après l'annonce, Bouman a publié une photo d'elle et d'elle et de l'équipe de recherche (ci-dessus) avec la légende:

"Je suis tellement excité que nous puissions enfin partager ce sur quoi nous travaillons depuis un an! L'image présentée aujourd'hui est la combinaison d'images produites par plusieurs méthodes. Aucun algorithme ou personne n'a créé cette image, cela nécessitait l'incroyable le talent d'une équipe de scientifiques du monde entier et des années de travail acharné pour développer l'instrument, le traitement des données, les méthodes d'imagerie et les techniques d'analyse qui étaient nécessaires pour réussir cet exploit apparemment impossible. Ce fut vraiment un honneur, et je suis tellement chanceux d'avoir eu l'opportunité de travailler avec vous tous. "

Bouman et son groupe analysent actuellement les images du télescope Event Horizon pour en savoir plus sur la relativité générale dans un champ gravitationnel fort. Pour son travail exceptionnel, Bouman a également récemment obtenu un poste de professeur adjoint au département informatique et mathématiques (CMS) de Caltech.

En collaboration avec Caltech, Bouman travaillera à la création d'un laboratoire dédié à l'expérimentation des algorithmes d'imagerie computationnelle et d'apprentissage automatique. Ce laboratoire sera le premier du genre et il devrait avoir un impact significatif sur l'étude des singularités gravitationnelles et d'autres phénomènes extrêmes.

Ensuite, il y a Sheperd Doeleman, chercheur principal au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), directeur adjoint de l'observation avec la Harvard's Black Hole Initiative, et directeur de l'EHT. Il est également chercheur principal au MIT et directeur adjoint du MIT Haystack Observatory - l'un des huit qui ont participé à l'EHT.

C’est pendant son séjour à l’observatoire Haystack du MIT que Doeleman est devenu l’une des premières personnes à voir les premiers indices du trou noir au centre de la Voie lactée. Et c'est grâce aux analyses qu'il a menées pour donner un sens aux données qui l'ont révélé pour la première fois.

"C'était un moment où il y avait une personne - moi - dans le monde qui savait ce qui venait de se passer", a-t-il déclaré. "C'était assez incroyable. Parce que dès que nous avons su qu'il y avait quelque chose là-bas, les gants se sont détachés et nous étions prêts à commencer à construire une matrice de la taille de la Terre pour l'imaginer."

Cependant, c'est en mai 2018 que son équipe a accompli ce que beaucoup pensaient impossible. Tout a commencé par une conférence au BHI, où des étudiants et des post-doctorants ont partagé certaines des données qu'ils avaient obtenues à Doeleman. Comme il a décrit le moment de la découverte:

«Nous pouvions voir les signatures révélatrices dans ces données ... et nous les regardions tous, en disant:« Wow ». J'ai travaillé jusqu'à tard dans la nuit pour trouver un modèle de l'ampleur de ce que nous voyions, et c'est quand j'ai su que nous avions quelque chose de très, très intéressant.

En plus de sa vaste expérience dans l'étude des phénomènes astrophysiques, Doeleman a également apporté son expertise en interférométrie à très longue base (VLBI). Ce processus, où des antennes radio séparées par de grandes distances sont combinées pour former un réseau de télescopes virtuels, était essentiel aux efforts de l'EHT.

Avec son groupe au MIT, Doeleman a contribué au développement de l'instrumentation qui a permis aux astronomes d'obtenir la plus grande résolution possible avec VLBI dans les observatoires terrestres. Dans le passé, lui et son équipe ont utilisé cette technique pour étudier les étoiles nouvellement nées et les atmosphères des étoiles mourantes.

Mais avec les capacités d'imagerie de l'EHT, les techniques qu'il a aidé à développer peuvent désormais être utilisées pour examiner comment la gravité et la relativité générale fonctionnent dans les conditions les plus extrêmes. Cela ouvre effectivement une nouvelle porte pour comprendre comment fonctionne notre Univers.

"Cela réalise notre rêve de prendre la première image d'un trou noir", a déclaré Doeleman. "Nous avons maintenant accès à un laboratoire cosmique d'extrême gravité où nous pouvons tester la théorie d'Einstein de la relativité générale et remettre en question nos hypothèses fondamentales sur l'espace et le temps. "

Grâce au rôle qu'il a joué dans la coordination du projet, Doeleman dirige désormais le projet EHT. Au-delà de Bouman et Doeleman, d'innombrables scientifiques et ingénieurs ont joué un rôle essentiel dans la réalisation de cette étape importante. De plus, plusieurs installations et processus clés ont été impliqués.

Comment l'image a été prise:

Le télescope Event Horizon (EHT) est essentiellement un radiotélescope de la taille d'une planète composé d'observatoires du monde entier. À l'heure actuelle, l'EHT se compose de huit sites, qui comprennent:

  • Télescope James Clerk Maxwell (JCMT) à l'Observatoire du Mauna Kea (CSO) à Hawaï
  • Grand télescope millimétrique Alfonso Serrano (LMT) sur le Volcán Sierra Negra, près de Veracruz, Mexique
  • Réseau combiné pour la recherche en astronomie millimétrique (CARMA) dans l'est de la Californie
  • Kitt Peak National Observatory (KPNO) deux radiotélescopes, situé juste au sud de Tucson, Arizona
  • Télescope submillimétrique (SMT) de l'Observatoire radio de l'Arizona (ARO) dans le sud de l'Arizona
  • Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) Atacama de l'Observatoire austral européen (ESO) dans le nord du Chili
  • Télescope de 30 mètres dans le sud de l'Espagne, exploité par l'Institut de radioastronomie millimétrique (IRAM)
  • Télescope du pôle Sud (SPT) au Gare d'Amundsen – Scott South Pole

En combinant des antennes radio et des données de plusieurs stations d'interférométrie à très longue base (VLBI), l'EHT est capable d'atteindre un niveau de résolution qui permet aux scientifiques de visualiser l'environnement intermédiaire autour des trous noirs (alias l'horizon des événements).

Ce n'était pas une tâche facile, étant donné la nature extrême des trous noirs. Prédits à l'origine par la théorie de la relativité générale (GR) d'Einstein, les trous noirs sont essentiellement ce que deviennent les étoiles particulièrement massives une fois qu'elles atteignent la fin de leur durée de vie.

À ce stade, lorsqu'une étoile a épuisé le dernier de son hydrogène et de l'hélium, elle subit un effondrement gravitationnel. Cela conduit à une explosion massive connue sous le nom de supernova, où l'étoile souffle sur ses couches externes. Selon la masse de l'étoile, le résultat sera soit un reste stellaire (c'est-à-dire une étoile à neutrons ou «naine blanche») soit un trou noir.

En fait, le terme «trou noir» est un peu inapproprié, car ce sont en fait des objets extrêmement compressés qui contiennent une quantité extraordinaire de matière dans une minuscule région. En raison de leur nature compacte, ils exercent une force gravitationnelle extrêmement puissante à laquelle rien - pas même la lumière - ne peut s'échapper.

Pour cette raison, les scientifiques n'ont pu déduire l'existence de trous noirs qu'en fonction des effets qu'ils ont sur leur environnement. Ceux-ci incluent la façon dont ils déforment l'espace-temps, faisant tomber les objets autour d'eux sur des orbites excentriques, et la façon dont ils feront tomber le matériau dans un disque autour d'eux qui est chauffé à des centaines de milliards de degrés.

Comme le résume Ramesh Narayan, professeur à l'Université de Harvard et chef de file des travaux théoriques sur l'EHT:

«Pendant des décennies, nous avons étudié comment les trous noirs avalent la matière et alimentent le cœur des galaxies. Voir enfin un trou noir en action, plier sa lumière proche en un anneau brillant, est une confirmation à couper le souffle que les trous noirs supermassifs existent et correspondent à l'apparence attendue de nos simulations.

Les cibles du projet étaient les deux trous noirs avec la plus grande taille angulaire apparente vue de la Terre. Il s'agit du SMBH situé au centre de la Voie lactée (Sagittaire A *) et du SMBH au centre de la galaxie dite M87 (Vierge A).

Afin de capturer une image de ces SMBH, les astronomes avaient besoin d'un télescope d'une résolution sans précédent. C'est là que l'ELT est entré en jeu. Jonathan Weintroub, qui co-coordonne le groupe de développement d'instruments de l'EHT, a expliqué:

«La résolution de l'EHT dépend de la séparation entre les télescopes, appelée ligne de base, ainsi que des courtes longueurs d'onde radio millimétriques observées. La résolution la plus fine de l'EHT provient de la ligne de base la plus longue, qui pour le M87 s'étend d'Hawaï à l'Espagne. Pour optimiser la sensibilité de la longue ligne de base, rendant les détections possibles, nous avons développé un système spécialisé qui additionne les signaux de toutes les paraboles SMA disponibles sur Maunakea. Dans ce mode, le SMA agit comme une seule station EHT. »

Grâce à ses huit observatoires, l'EHT a enregistré des millions de gigaoctets de données sur ces deux trous noirs. Au total, chaque télescope a absorbé environ un pétaoctet (1 million de gigaoctets) de données et les a enregistrées sur plusieurs unités Mark6 - des enregistreurs de données initialement développés à l'observatoire Haystack.

Une fois l'observation terminée, les chercheurs de chaque station ont emballé la pile de disques durs, qui ont ensuite été acheminés vers l'observatoire MIT Haystack dans le Massachusetts, aux États-Unis, et le Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Allemagne.

Une fois sur place, les données ont été croisées et analysées par 800 ordinateurs connectés via un réseau à 40 Gbit / s. La conversion de ces données en une image exigeait le développement de nouvelles méthodes et procédures.

Cela impliquait de comparer les images de quatre groupes indépendants de scientifiques en utilisant trois méthodes d'imagerie différentes - qui ont été conçues et dirigées par Katie Bouman. Dans les années à venir, l'EHT prévoit d'améliorer la résolution angulaire du projet en ajoutant deux autres tableaux et en effectuant des observations sur des longueurs d'onde plus courtes.

Il s'agit notamment du télescope du Groenland, qui est exploité conjointement par le Smithsonian Astrophysical Observatory et l'Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics; et le Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) de l'IRAM dans le sud de la France.

Pourquoi ressemble-t-il à "un anneau de feu?":

En plus de l'existence de trous noirs, la théorie d'Einstein de la relativité générale a prédit qu'un trou noir jetterait une ombre circulaire sur le disque lumineux de matière qui l'entoure. Essentiellement, la région à l'intérieur de l'horizon des événements des trous noirs apparaîtrait comme une noirceur totale, en contraste frappant avec le disque très brillant au-delà.

Le président du Conseil scientifique de l'EHT, Heino Falcke de l'Université Radboud aux Pays-Bas, a expliqué tout cela comme suit:

«Si nous sommes immergés dans une région lumineuse, comme un disque de gaz incandescent, nous nous attendons à ce qu'un trou noir crée une région sombre semblable à une ombre - quelque chose prédit par la relativité générale d'Einstein que nous n'avons jamais vu auparavant, Cette ombre, causée par le la flexion gravitationnelle et la capture de la lumière par l'horizon des événements, en révèlent beaucoup sur la nature de ces objets fascinants et nous ont permis de mesurer l'énorme masse du trou noir de M87. "

Fait intéressant, cette apparence a également été prédite avec précision par l'équipe d'effets spéciaux derrière le film Interstellar. Pour ajouter un sens de réalisme au film, le physicien théoricien et lauréat du prix Nobel Kip Thorne a développé un nouvel ensemble d'équations pour guider le logiciel de rendu de l'équipe d'effets spéciaux.

Pour ce faire, Thorne s'est appuyé sur des principes scientifiques connus. Celles-ci comprenaient le fait que le trou noir se formait à partir d'un reste stellaire massif, ce qui signifierait qu'il tournerait à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Cela signifierait également que le trou noir aurait un disque d'accrétion brillant, qui semblerait se courber simultanément sur le haut et sous le bas.

CONNEXES: LES CONTRIBUTIONS "INTERSTELLAIRES" DE KIP THORNE

Pour simuler le disque d'accrétion, l'équipe des effets spéciaux a généré un anneau plat et multicolore et l'a positionné autour de leur trou noir en rotation. Le résultat final a montré que l'effet de déformation qu'il avait sur l'espace-temps déformerait également le disque d'accrétion - créant l'illusion d'un halo.

En comparant l'image du SMBH de M87 au rendu d'Interstellar (voir ci-dessous), on peut voir des similitudes surprenantes. Ceux-ci incluent les régions centrales et ombragées et les disques d'accrétion brillants qui les entourent, qui leur confèrent une sorte d'apparence de type «anneau de feu» ou «œil de Sauron».

Implications pour l'astrophysique:

Comme de nombreux astronomes l'ont expliqué depuis la publication de l'image, la possibilité de photographier un trou noir ouvre une nouvelle ère en astrophysique. Tout comme les toutes premières détections d'ondes gravitationnelles, cette réalisation permet effectivement aux scientifiques de détecter et de visualiser des phénomènes qui étaient soit théoriques ou qui ne pouvaient être étudiés qu'indirectement.

Ceux-ci incluent des tests plus radicaux de la théorie d'Einstein de la relativité générale. Alors que de nombreux tests ont été menés au cours du siècle dernier pour vérifier les effets de la gravité sur l'espace-temps, la grande majorité d'entre eux ont impliqué des objets de taille planétaire ou stellaire.

Avec la possibilité de visualiser les SMBH, les scientifiques pourront tester les prédictions des équations de terrain d'Einstein dans l'environnement le plus extrême possible. Dans le passé, des tests limités ont été menés en observant le comportement de S2, l'une des étoiles qui gravitent autour du Sagittaire A * au centre de notre galaxie.

Mais avec la possibilité de visualiser le disque d'accrétion et l'ombre du Sagittaire A *, les astronomes s'attendent à pouvoir en apprendre beaucoup plus. Les scientifiques s'attendent également à en savoir plus sur la façon dont la matière forme des disques autour des trous noirs et s'accroît sur eux, ce qui leur permet de se développer.

En bref, les scientifiques ne savent toujours pas comment le matériau effectue la transition du disque à rotation rapide à l'horizon des événements. Bien qu'il soit entendu qu'au fil du temps, la matière dans le disque perdra de l'énergie et finira par tomber, les scientifiques ne savent pas ce qui cause cette perte d'énergie.

Parce que la matière dans un disque est si diluée, la friction traditionnelle ne devrait pas être possible, ce qui suggère qu'une force inconnue pourrait être en jeu. Avec la possibilité d'étudier deux SMBH et leurs horizons événementiels, les scientifiques pourront enfin tester différentes théories.

De plus, les scientifiques espèrent comprendre pourquoi le Sagittaire A * est relativement sombre par rapport aux SMBH d'autres galaxies. En fait, certains SMBH génèrent tellement d'énergie à partir de leurs disques à rotation rapide que leur région centrale (leurs noyaux galactiques) éclipse les étoiles dans leurs disques galactiques à plusieurs reprises.

En fait, la présence d'un noyau galactique actif (AGN) est la façon dont les astronomes ont pu déterminer que la plupart des galaxies ont un SMBH en leur centre. En améliorant leur compréhension des mécanismes qui alimentent les disques de débris et font croître les SMBH, les astronomes espèrent pouvoir enfin répondre à cette question.

****

Au total, environ 200 astronomes du monde entier ont joué un rôle essentiel dans la capture de la première image d'un trou noir. Bouman a décrit l’équipe EHT comme un «creuset d’astronomes, de physiciens, de mathématiciens et d’ingénieurs, et c’est ce qu’il a fallu pour réaliser quelque chose que l’on croyait auparavant impossible».

Avec l'ajout d'installations supplémentaires au réseau EHT - sans parler des améliorations régulières en termes de calcul, d'imagerie et de partage d'informations - les scientifiques s'attendaient à pouvoir voir bientôt plus de trous noirs. La perspicacité que cela permettra à notre Univers sera certainement époustouflante!

  • Télescope Event Horizon
  • NASA Science - Trous noirs
  • The Harvard Gazette - Black Hole Révélé
  • NSF - Les astronomes capturent la première image d'un trou noir
  • The Astrophysical Journal - Résultats du premier télescope Horizon Event M87
  • L'Atlantique - L'expédition et la manutention cachées derrière cette image de trou noir
  • Le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics -CfA joue un rôle central dans la capture d'une image emblématique du trou noir
  • MIT News - Travaillant ensemble comme un «télescope virtuel», les observatoires du monde entier produisent les premières images directes d'un trou noir


Voir la vidéo: Lespace sous la loupe #1 - La 1ère photo dun trou noir (Mai 2022).