Andrea Ghez : la chasse aux trous noirs supermassifs.

Comment observer quelque chose qu'on ne peux pas voir ? C'est la question de base d'une personne qui s'intéresse à la découverte et l'étude des trous noirs. Les trous noirs sont des objets dont l'attraction gravitationnelle est si intense que rien ne peut s'en échapper, pas même la lumière, donc on ne peut pas les voir.

Mon histoire de trous noirs aujourd'hui est celle d'un trou noir particulier. Je cherche à savoir s'il y a un trou noir très massif, parfois appelé trou noir "supermassif", au centre de notre galaxie. C'est intéressant car ça nous donne une chance de prouver si oui ou non ces objets bizarres existent. De plus, ça nous donne l'opportunité de comprendre comment ces trous noirs supermassifs interagissent avec leur environnement et de comprendre leur impact sur la formation et l'évolution des galaxies dans lesquelles ils se trouvent.

Pour commencer, nous devons comprendre ce qu'est un trou noir pour comprendre comment prouver son existence. Donc, qu'est-ce qu'un trou noir ? Pour beaucoup, un trou noir est un objet très simple car il n'y a que 3 caractéristiques que vous pouvez décrire : la masse, le moment cinétique et la charge. Je vais vous parler seulement de la masse. De ce point de vue, c'est un objet très simple. D'un autre côté, c'est un objet incroyablement compliqué qui nécessite une physique assez exotique pour le décrire et qui, dans certains cas, représente les limites de notre compréhension physique de l'univers.

Aujourd'hui, je veux que vous considériez un trou noir, pour prouver son existence, comme un objet dont la masse est confinée dans un volume nul. Bien que je vous parle d'un objet supermassif, et je vais vous expliquer dans un moment ce que ça que veut dire, il n'a pas de taille finie. Donc, c'est un peu délicat

mais, heureusement, il y a une taille finie que vous pouvez voir qui est connue comme le rayon de Schwarzschild. Il a été nommé comme la personne qui a reconnu que c'était un rayon si important. C'est un rayon virtuel, pas réel : le trou noir n'a pas de taille. Mais pourquoi est-il si important ? Il l'est car il nous montre que n'importe quel objet peut devenir un trou noir. Par exemple vous, votre voisin, votre téléphone, l'auditorium peuvent devenir un trou noir si vous trouvez comment les compresser à la taille du rayon de Schwarzschild.

À ce moment, que va-t-il se passer ? La gravité va gagner. La gravité va gagner sur toutes les autres forces connues et l'objet est forcé de continuer de s'effondrer jusqu'à devenir un objet infiniment petit. Et voila notre trou noir. Par exemple, si on compressait la Terre jusqu'à la taille d'un morceau de sucre, elle deviendrait un trou noir car la taille d'un morceau de sucre est celle de son rayon de Schwarzschild.

Il faut comprendre ce qu'est ce rayon de Schwarzschild. Il apparaît qu'il est assez simple à imaginer. Il dépend simplement de la masse de l'objet. Les objets plus gros ont des rayons de Schwarzschild plus gros. Les plus petits ont des rayons de Schwarzschild plus petits. Donc, si vous prenez le Soleil et que vous le compressez à la taille de l'université d'Oxford, il deviendra un trou noir.

Maintenant, on sait ce qu'est un rayon de Schwarzschild. C'est un concept très utile, car il ne nous montre pas seulement quand un trou noir va se former mais il nous donne aussi les éléments clés pour prouver l'existence d'un trou noir. J'ai juste besoin de deux choses. Je dois comprendre la masse de l'objet que je pense être un trou noir et trouver quel est son rayon de Schwarzschild. A partir du moment où la masse détermine le rayon de Schwarzschild, il ne reste qu'une seule chose que je dois vraiment trouver.

Mon boulot pour vous convaincre de la présence d'un trou noir est de vous montrer qu'il y a un objet confiné à l'intérieur de son rayon de Schwarzschild. Votre boulot aujourd'hui est d'être sceptiques. Je ne vais pas parler de trous noirs ordinaires ; je vais parler de trous noirs supermassifs.

Je voudrais juste expliquer ce qu'est un trou noir ordinaire, en admettant qu'il existe des trous noirs ordinaires. Un trou noir ordinaire semblerait être l'état final d'une étoile très massive. Si une étoile meure, une étoile plus massive que le Soleil, elle va finir sa vie en explosant et en laissant derrière elle ces beaux restes de supernova que nos voyons ici. A l'intérieur des restes de la supernova, on va trouver un petit trou noir dont la masse sera d'environ 3 fois celle du Soleil. Sur une échelle astronomique, c'est un tout petit trou noir.

Maintenant, je vais parler des trous noirs supermassifs. Les trous noirs supermassifs sont supposés résider au centre des galaxies. Ces belles photos prises par le télescope spatial Hubble nous montrent qu'il y a des galaxies de toutes formes et de toutes tailles. Il y en a des grosses, des petites. À peu près tous les objets de cette image sont des galaxies. Il y a une très jolie spirale en haut à gauche. Il y a une centaine de milliards d'étoiles dans cette galaxie, juste pour vous donner une échelle. Toutes les lumières qu'on voit d'une galaxie typique, du genre des galaxies qu'on voit ici, viennent de la lumière des étoiles. Donc, nous voyons les galaxies grâce à la lumière des étoiles.

Il y a quelques galaxies assez exotiques. J'aime à les appeler les prima donna du monde des galaxies car elles sont un peu prétentieuses. Nous les appelons noyaux actifs de galaxie. On les appelle comme ça car leur noyau, ou leur centre, est très actif. Au centre ici, c'est finalement l'endroit d'où la plupart de la lumière provient. En fait, ce qu'on voit, c'est de la lumière qui ne trouve pas son origine dans les étoiles. C'est beaucoup plus énergétique. En fait, dans certains exemples, c'est un peu comme celles qu'on voit ici. Il y a aussi des jets émanant du centre. Encore une fois, cette source d'énergie est très difficile à expliquer si vous pensez que les galaxies sont juste composées d'étoiles.

Ainsi, ce que les gens pensent, c'est que, peut-être, il y a des trous noirs supermassifs dans lesquels la matière se jette. On ne peut donc pas voir le trou noir lui-même mais on peut convertir l'énergie gravitationnelle du trou noir en lumière visible. On pense qu'il y a des trous noirs supermassifs au centre des galaxies. C'est un peu un argument indirect.

Néanmoins, ça peut laisser penser que, peut-être, les prima donna ne sont pas les seules à contenir des trous noirs supermassifs mais plus certainement que toutes les galaxies doivent contenir ces trous noirs supermassifs en leur centre. Si c'est le cas - ceci est un exemple de galaxie normale - ce qu'on voit, c'est la lumière des étoiles. S'il y a un trou noir supermassif, ce qu'il faut supposer, c'est que ce trou noir est au régime. C'est la manière de supprimer le phénomène énergétique que l'on voit dans le noyau actif des galaxies.

Si on veut rechercher ces trous noirs furtifs au centre des galaxies, le meilleur endroit à explorer est notre propre galaxie, notre Voie Lactée. Ceci est une photo grand angle du centre de la Voie Lactée. Ce qu'on voit, c'est une ligne d'étoiles. C'est parce que nous vivons dans une galaxie qui est aplatie, en forme de disque. Si on regarde au centre de la galaxie, on peut voir ce plan qui définit le plan de la galaxie, ou une ligne qui définit ce plan.

L'avantage d'étudier notre propre galaxie, c'est que c'est l'exemple le plus proche de centre de galaxie que nous pourrons avoir car la galaxie suivante est 100 fois plus loin. On peut donc avoir beaucoup plus de détails dans notre galaxie que n'importe où ailleurs. Comme on va le voir, la capacité de voir les détails est la clé de cette expérience.

Comment donc prouver qu'il y a une masse importante dans un volume réduit ? C'est ce que je dois vous montrer aujourd'hui. L'outil qu'on utilise est l'analyse du mouvement orbital des étoiles autour du trou noir. Les étoiles vont tourner autour du trou noir de la même manière que les planètes tournent autour du Soleil. C'est la force gravitationnelle qui fait tourner ces éléments. S'il n'y avait pas d'objets massifs, ces choses partiraient voler ailleurs ou auraient un mouvement réduit car ce qui détermine leur mouvement, c'est la masse à l'intérieur de l'orbite.

Ceci va m'aider car, rappelez-vous, mon boulot est de montrer qu'il y a une grande masse dans un volume réduit. Si je connais la vitesse des éléments, je connais la masse. Si je connais l'échelle des orbites, je connais le rayon. Je veux donc voir les étoiles qui se trouvent aussi proches du centre de la galaxie que possible car je veux prouver qu'il y a une masse dans une région aussi réduite que possible. Cela veut dire que je veux voir beaucoup de détails. C'est pourquoi on a utilisé le plus grand télescope du monde pour cette expérience.

C'est l'observatoire de Keck. Il accueille deux télescopes avec un miroir de 10 m, ce qui est environ le diamètre d'un court de tennis. C'est magnifique car l'avantage des gros télescopes est que plus le télescope est gros plus les détails sont fins mais il apparaît que ces télescopes, comme n'importe quel télescope terrestre, ont un petit challenge pour tenir leurs promesses. Le défi est dû à l'atmosphère. L'atmosphère est bonne pour nous ; elle nous permet de survivre sur Terre mais c'est un défi à relever pour les astronomes qui veulent regarder des sources astronomiques à travers l'atmosphère.

Pour vous donner une idée, c'est comme si vous regardiez un caillou dans un courant. Regarder le caillou sous l'eau, avec un courant perpétuel et turbulent, se trouve être très difficile. Sur le même principe, il est très difficile de voir les sources astronomiques, à cause de l'atmosphère toujours en mouvement.

J'ai passé une grande partie de ma carrière à chercher comment corriger les effets de l'atmosphère pour avoir de meilleures vues. Ca a donné une amélioration 20 fois supérieure et je pense que vous serez d'accord sur le fait que, si vous savez comment améliorer votre vie 20 fois, vous améliorerez sûrement votre style de vie : imaginez votre salaire, vos enfants...

Cette animation montre un des exemples des techniques que nous utilisons, appelées optiques adaptatives. Vous voyez une animation qui décrit ce que vous pourriez voir si vous utilisiez cette technique. En d'autres termes, juste une image qui montre des étoiles, et la boîte est centrée sur le centre de la galaxie, où nous pensons que le trou noir se trouve. Sans cette technologie, vous ne pourriez pas voir les étoiles. Avec cette technologie, on peut donc les voir. Cette technique consiste à introduire un miroir dans le système optique du télescope qui change constamment pour neutraliser les effets de l'atmosphère. C'est un peu comme des lunettes fantaisie pour votre télescope.

Maintenant, je vais concentrer les prochaines diapos sur cette petite zone là. On va regarder les étoiles présentes dans cette petite zone, même si on les a toutes regardées. Je veux voir comment ces choses ont bougé. Durant la durée de l'expérience, ces étoiles ont énormément bougé. On a réalisé cette étude sur 15 ans et on voit que les étoiles tournent encore et encore.

La plupart des astronomes ont une étoile favorite et la mienne aujourd'hui est une étoile appelée SO-2. C'est mon étoile favorite au monde. C'est parce qu'elle tourne en seulement 15 ans. Pour vous donner une idée de sa vitesse, le Soleil met 200 millions d'années pour tourner autour de la galaxie. Les étoiles que nous connaissions avant, qui étaient aussi proches du centre de la galaxie que possible, mettaient 500 ans. Celle-ci le fait dans le temps d'une vie humaine. C'est très profond en un sens.

C'est la clé de l'expérience. L'orbite me montre combien de masse est contenue dans un tout petit rayon. Ensuite, nous pouvons voir une photo qui montre la taille dans laquelle nous pouvions confiner la masse du centre de la galaxie avant cette expérience. Ce que nous savions, c'est qu'il y avait 4 millions de fois la masse du Soleil dans ce cercle. Comme vous pouvez le voir, il y a un tas d'autres choses dans ce cercle. Vous pouvez voir un tas d'étoiles. Il y avait un tas d'alternatives à l'idée qu'il y avait un trou noir supermassif au centre de la galaxie car vous pouviez mettre un tas d'autres choses là-dedans.

Avec cette expérience, nous avons confiné cette même masse dans un volume plus petit : environ 10 fois plus petit. Grâce à ça, nous avons pu montrer la présence d'un trou noir supermassif. Pour vous donner un ordre d'idée de la taille : c'est équivalent à celle de notre système solaire. Nous avons donc 4 millions de fois la masse du Soleil dans ce petit volume.

La publicité dit toujours vrai, non ? Je vous ai dit que mon travail est de la ramener au rayon de Schwarzchild. La vérité est que je n'y suis pas encore. On n'a aucune alternative aujourd'hui pour expliquer cette concentration de masse. C'est la meilleure preuve que nous avons aujourd'hui non seulement de l'existence d'un trou noir supermassif au centre de notre propre galaxie mais dans l'univers. Et après ? Je pense en fait que nous ne pouvons pas faire mieux avec la technologie actuelle. Avançons avec le problème.

Ce que je veux vous rapporter, très brièvement, ce sont de petits exemples de ce que nous pouvons faire aujourd'hui au centre de la galaxie, maintenant que nous savons qu'il y a, ou au moins que nous pensons, qu'il y a là un trou noir supermassif. La phase intéressante de cette expérience, c'est que, quand nous avons confronté nos idées sur les conséquences de la présence, au centre de la galaxie, d'un trou noir supermassif, tous autant que nous étions n'étions pas conscients de ce que nous voyions finalement. Ca, c'est amusant.

Laissez moi vous donner deux exemples. Vous me demanderiez : "Qu'attendez-vous des vieilles étoiles, celles qui sont dans la galaxie depuis bien longtemps, elles ont eu pleinement le temps d'interagir avec le trou noir." Ce qu'on attend, c'est que les vieilles étoiles soient très groupées autour du trou noir. Vous devriez voir beaucoup d'étoiles près du trou noir.

Par contre, pour les jeunes étoiles, elles ne devraient juste pas être là. Un trou noir n'est pas un gentil voisin pour les crèches stellaires. Pour former une étoile, vous devez avoir une boule de gaz et de poussière qui s'effondre. C'est une entité très fragile. Que fait un gros trou noir ? Il déchire ce nuage de gaz. Il tire plus sur un côté que sur un autre et le nuage est déchiqueté. En fait, nous avons anticipé que la formation des étoiles ne pouvait pas arriver dans cet environnement.

Vous ne devriez pas voir de jeunes étoiles. Alors que voit-on ? En prenant des observations que je ne vous ai pas montrées aujourd'hui, nous pouvons estimer lesquelles sont vieilles et lesquelles sont jeunes. Les vieilles sont rouges. Les jeunes sont bleues. Les jaunes, nous ne savons pas encore. Vous pouvez voir la surprise. Ici, il y a un manque de vieilles étoiles. Ici, une abondance de jeunes étoiles : exactement l'opposé de la prédiction.

C'est un élément amusant. En fait, c'est ce que nous essayons d'éclaircir, à savoir comment expliquer cette contradiction. Mes jeunes diplomés sont à cet instant précis, devant le télescope, à Hawaï, en train de faire des observations pour nous mener à l'étape suivante où nous pourrons travailler cette question de la présence de tant de jeunes étoiles et de si peu de vieilles étoiles. Pour aller plus loin, nous avons réellement besoin d'analyser les orbites d'étoiles qui sont plus loin. Pour ça, nous allons sûrement avoir besoin de technologies plus sophistiquées que celles que nous avons.

En fait, quand je dis qu'on corrige l'effet de l'atmosphère, nous ne corrigeons que la moitié des erreurs qui sont introduites. On le fait en envoyant un laser dans l'atmosphère, et ce que nous pensons faire, c'est d'en utiliser plus pour corriger le reste. C'est ce que nous espérons faire dans les prochaines années. Sur un plus long terme, nous espérons construire des télescopes plus grands car, rappelez-vous, plus gros c'est mieux en astronomie.

Nous voulons donc construire un télescope de 30 mètres. Avec celui-ci, nous devrions être capables de voir des étoiles qui sont encore plus proches du centre de la galaxie. Nous espérons pouvoir tester certaines des théories d'Einstein sur la relativité générale, certaines idées en cosmologie sur la formation des galaxies. Nous pensons donc que le futur de cette expérience est assez excitant.

En conclusion, je vais vous montrer une animation qui vous montre simplement comment ces orbites ont bougé - en 3 dimensions. J'espère, au moins vous avoir convaincu que, premièrement, nous avons effectivement un trou noir supermassif au centre de la galaxie. Ceci veut dire que ces choses existent dans notre univers, et nous devons discuter ça, nous devons expliquer comment on peut avoir ces objets dans notre monde physique.

Deuxièmement, nous avons été capables de voir comment les trous noirs supermassifs interagissent et de comprendre, peut-être, le rôle qu'ils jouent dans l'apparence de nos galaxies et dans leur fonctionnement.

Finalement, rien de tout cela ne serait advenu sans l'avancée phénoménale qui a été faite technologiquement. Nous pensons que c'est un domaine avançant très rapidement et qui promet encore beaucoup dans le futur. Merci beaucoup (Applaudissements)