Astronomie

Pourquoi ne pas prendre une photo d'un trou noir plus proche ?

Pourquoi ne pas prendre une photo d'un trou noir plus proche ?


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Il y a des galaxies plus proches que Messier 87 c'est sûr, même la nôtre ! Cela a suscité ma curiosité qu'ils soient partis avec un 53 millions d'années-lumière. Y a-t-il une raison à cela?


J'ai également été surpris lorsque j'ai entendu pour la première fois qu'ils essayaient d'imager le trou noir de M87.

La réponse courte est parce que c'est vraiment, vraiment grand. Il est 1500 fois plus gros (diamètre) que notre Sagittaire A*, et 2100 fois plus éloigné. Cela rend sa taille apparente à environ 70% de celle de Sgr A*, qu'ils tentent également d'imager.

Une recherche rapide dans la liste des plus grands trous noirs de Wikipédia montre qu'il n'y a pas d'autres trous noirs avec une combinaison de taille et de proximité supérieure à ces deux.

Quelques autres candidats ne sont pas trop loin. Le trou noir d'Andromède est 50 fois plus grand que le nôtre, et à 100 fois la distance, il semblerait être la moitié de la taille de Sgr A*. La galaxie Sombrero est 380 fois plus éloignée que Sgr A* et possède un trou noir estimé à 1 milliard de masses solaires, soit 232 fois Sr A*, ce qui donne un diamètre angulaire d'environ 60% de Sgr A*.

Il semble y avoir de nombreuses autres considérations pour lesquelles les trous noirs ont été choisis, comme expliqué dans cette question similaire. À supposer, cela inclurait à quel point chaque trou noir est obscurci avec de la poussière/étoiles au premier plan, etc., à quel point les noyaux sont actifs (et donc brillants) et leur inclinaison par rapport à la terre affectant quels observatoires pourraient les observer à quels moments.

Edit : j'ai trouvé un autre candidat plausible. NGC_1600 se trouve à 200 M d'années-lumière avec un trou noir central estimé à 17 milliards de masses solaires. Cela le placerait à environ 40 % du diamètre apparent de Sgr A*.

Comparaison de la taille apparente des plus grands trous noirs proches

Et bien sûr XKCD obligatoire pour nous rappeler à quel point ces objets paraissent petits.


Il y a quelques critères nécessaires pour voir un trou noir avec le télescope Event Horizon. Ils sont, en importance :

  • Alimentation active : vous avez besoin d'un disque d'accrétion épais avec beaucoup de matière s'accrétant sur le trou noir. M87 correspond à ce critère et est une surabondance, consommant environ 90 masses terrestres par jour.
  • Taille apparente. Même s'il se trouve à 53 millions d'années-lumière, M87 représente 6,5 milliards de masses solaires. Étant donné que le rayon de l'horizon des événements évolue linéairement avec la masse, sa distance est compensée par l'échelle pure.

Comme le dit Ingolifs, Sgr A* et M87* sont les candidats évidents. Lors de la conférence de presse, Heino Falcke a expliqué pourquoi ils ont d'abord obtenu une photo de M87* :

Mais cela prendrait un peu plus de temps car le Sagittaire A Star est 1000 fois plus rapide et plus petit. C'est comme un bambin qui bouge constamment. En comparaison, M87 est beaucoup plus lent, comme un gros ours.

- Le héraut du Deccan


Une autre note rapide - Ils essaient d'obtenir une photo de Sag. UNE*:

De Space.com

Le projet a scruté deux trous noirs - le monstre M87, qui abrite environ 6,5 milliards de fois la masse du soleil de la Terre, et le trou noir central de notre propre galaxie de la Voie lactée, connu sous le nom de Sagittaire A *. Ce dernier objet, bien qu'encore un trou noir supermassif, est un avorton comparé à la bête de M87, contenant à peine 4,3 millions de masses solaires.

Ces deux objets sont des cibles difficiles en raison de leur immense distance de la Terre. Le Sagittaire A* se trouve à environ 26 000 années-lumière de nous, et le trou noir de M87 est à 53,5 millions d'années-lumière.

De notre point de vue, l'horizon des événements du Sagittaire A* "est si petit que c'est l'équivalent de voir une orange sur la lune ou de pouvoir lire le journal à Los Angeles pendant que vous êtes assis à New York", a déclaré Doeleman lors de l'événement SXSW le mois dernier.

Et au cas où vous vous poseriez des questions sur le Sagittaire A* : L'équipe EHT espère obtenir bientôt des images de ce trou noir supermassif, a déclaré Doeleman aujourd'hui. Les chercheurs ont d'abord examiné M87, et il est un peu plus facile à résoudre que Sagittaire A * car il est moins variable sur de courtes périodes, a-t-il expliqué.


La difficulté à imager quoi que ce soit sur le spectre de la lumière visible est la poussière. Sagitarrius A est assombri par des nuages ​​de poussière qui peuvent être pénétrés par infrarouge. Le M87 remplissait les critères d'être grand et relativement proche tout en permettant à la lumière de se refléter sur l'horizon des événements et de ne pas être bloqué par des nuages ​​de poussière.


Comment prendre une photo d'un trou noir ? Avec un télescope aussi gros que la Terre

Un observatoire virtuel couvrant toute la planète, construit depuis des années, pourrait changer notre perception de l'espace, du temps et de la nature de la réalité. Est-ce que ça marchera?

Crédit. Illustration par Andy Gilmore

Nous vivons à 26 000 années-lumière du centre de la Voie lactée. C'est une erreur d'arrondi selon les normes cosmologiques, mais c'est quand même loin. Lorsque la lumière atteignant maintenant la Terre depuis le centre galactique a pris son envol, les gens traversaient le pont terrestre du détroit de Béring, chassant des mammouths laineux en cours de route.

La distance n'a pas empêché les astronomes de dresser une carte assez précise du cœur de la galaxie. Nous savons que si vous voyagez depuis la Terre à la vitesse de la lumière pendant environ 20 000 ans, vous rencontrerez le renflement galactique, une structure en forme de cacahuète épaisse d'étoiles, certaines presque aussi vieilles que l'univers. Quelques milliers d'années-lumière plus loin, il y a Sagittaire B2, un nuage mille fois la taille de notre système solaire contenant du silicium, de l'ammoniac, des doses de cyanure d'hydrogène, au moins dix milliards de milliards de milliards de litres d'alcool et des traits de formiate d'éthyle, qui a un goût comme les framboises. Continuez vers l'intérieur pendant encore 390 années-lumière environ et vous atteignez le parsec intérieur, la zone bizarro à environ trois années-lumière du centre galactique. Des tubes d'éclairs gelés appelés filaments cosmiques sillonnent le ciel. Des bulles de gaz commémorent les anciennes explosions d'étoiles. La gravité devient une mer écumante de contre-courants. Les étoiles bleues qui font ressembler notre soleil à une bille défilent à des millions de milles à l'heure. L'espace devient un bain d'atomes de radiation qui se dissolvent dans un brouillard de particules subatomiques. Et près du noyau, ce brouillard forme un grand frisbee brillant qui tourne autour d'une vaste sphère sombre. Il s'agit du trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée, le point immobile de notre galaxie en rotation lente. Nous l'appelons Sagittaire A *, ce dernier bit prononcé "A-star". Le trou noir lui-même est invisible, mais il laisse une empreinte violente sur son environnement, entraînant les objets environnants sur des orbites improbables et annihilant les étoiles et les nuages ​​de gaz qui s'éloignent trop près. Les scientifiques se sont longtemps demandé ce qu'ils verraient s'ils pouvaient regarder jusqu'au bord. Ils pourraient bientôt le découvrir.

Les astronomes ont découvert Sagittarius A* en 1974, alors que la notion de trous dans l'espace était encore nouvelle et troublante. Depuis lors, ils l'ont sondé avec tous les instruments d'observation et théoriques appropriés. Indirectement, ils l'ont pesé, mesuré sa circonférence, surveillé ses habitudes alimentaires. Ils en parlent désormais avec une assurance mesurée, comme des villageois décrivant un dragon qui vit dans une grotte des collines, un animal dont personne ne doute de l'existence, mais que personne n'a jamais vu.

Bien sûr, quelqu'un monte toujours une expédition dans la grotte. L'année dernière, après plus d'une décennie de préparation, des astronomes d'Amérique du Nord et du Sud, d'Europe et d'Asie ont effectué ce voyage métaphorique dans une grotte avec la première utilisation du télescope Event Horizon (EHT), un observatoire virtuel de la taille de la Terre conçu pour prendre le premier image d'un trou noir. L'E.H.T. utilise une technique connue sous le nom d'interférométrie à très longue base (V.L.B.I.), dans laquelle les astronomes d'observatoires sur différents continents observent simultanément le même objet, puis combinent les données collectées sur un supercalculateur. Le directeur de l'E.H.T., Shep Doeleman, un radioastronome du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, aime appeler l'E.H.T. "le plus grand télescope de l'histoire de l'humanité." Il a la résolution la plus élevée de tous les instruments astronomiques jamais assemblés. C'est assez précis pour lire la date sur un nickel à Los Angeles depuis New York, pour repérer un beignet sur la lune et, plus précisément, pour prendre une photo du trou noir au centre de notre galaxie - ou, au moins , son ombre.

Les images astronomiques ont une façon de mettre les préoccupations terrestres en perspective. Les gros titres peuvent présager l'effondrement de la civilisation occidentale, mais le trou noir s'en moque. Il a été là pendant la majeure partie de l'histoire cosmique, il assistera à la mort de l'univers. À une époque de mensonges, une image de notre propre trou noir privé serait quelque chose de vrai. L'effort pour obtenir cette image parle bien de notre espèce : un groupe de personnes à travers le monde défiant la discorde internationale et la stupidité ascendante générale dans la poursuite unifiée d'un objectif glorieusement ésotérique. Et en ces jours sombres, il est tout à fait normal que l'objet de cette poursuite soit la chose la plus sombre imaginable.

Avery Broderick, un astrophysicien théoricien qui travaille avec le télescope Event Horizon, a déclaré en 2014 que la première image d'un trou noir pourrait être tout aussi importante que "Pale Blue Dot", la photo de 1990 de la Terre que la sonde spatiale Voyager a prise depuis le bord du système solaire, dans lequel notre planète est une tache insignifiante dans un vaste vide. Une nouvelle image, pensa Avery, de l'une des incarnations les plus pures du chaos et du malaise existentiel de la nature aurait un message différent : elle dirait : Il y a des monstres là-bas.

L'un des nombreux Le défi de photographier un trou noir est qu'il ne s'agit pas d'« objets » dans un sens familier : ils sont faits de pure gravité. La définition standard d'un trou noir est «une région de l'espace d'où rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper», mais même ce phrasé austère ne parvient pas à capturer toute leur merveille démoniaque. Le physicien Werner Israel l'a mieux exprimé lorsqu'il a décrit un trou noir comme "un champ gravitationnel élémentaire et auto-entretenu qui a rompu tout lien de causalité avec la source matérielle qui l'a créé, et s'est installé, comme une bulle de savon, dans la configuration la plus simple cohérente avec les contraintes extérieures.

La caractéristique déterminante de cette bulle de savon gravitationnelle est sa limite, l'horizon des événements, une sortie à sens unique de l'univers. Si vous deviez traverser un horizon événementiel, vous ne remarqueriez rien. Pas de turbulences. Pas de membrane de science-fiction diaphane et chatoyante affichant les souvenirs de votre enfance. Mais tu ne pourrais jamais revenir. L'irréversibilité de l'horizon des événements est la raison pour laquelle les trous noirs sont, à proprement parler, invisibles : aucune lumière de l'intérieur ne peut jamais atteindre l'univers extérieur. Mais il existe des solutions de contournement, des astuces qui peuvent nous rapprocher asymptotiquement.

En 1973, le physicien James Bardeen a compris que dans les bonnes circonstances - si, disons, un trou noir passait devant un grand fond lumineux, comme une étoile - il pourrait être possible de voir sa silhouette. "Malheureusement", a conclu Bardeen, "il ne semble y avoir aucun espoir d'observer cet effet." Plus tard dans la décennie, le physicien français Jean-Pierre Luminet a cherché à savoir à quoi ressemblerait un trou noir s'il était illuminé par la lueur de la matière surchauffée tourbillonnant autour de lui. Il a fait ses calculs en insérant des cartes perforées dans un ordinateur primitif. Il a dessiné les résultats à la main. Ses images en noir et blanc ressemblaient à des représentations tordues d'un Saturne noir, avec un disque d'accrétion en forme d'anneau déformé comme de la tire.

À la fin des années 1990, les astrophysiciens Heino Falcke, Fulvio Melia et Eric Agol, motivés par une nouvelle génération de radiotélescopes alors en construction, ont décidé de voir s'il y avait une chance de voir la silhouette du Sagittaire A* depuis la Terre. Ils ont exécuté les équations de Bardeen à l'aide d'un logiciel qui prédisait comment la lumière se déplacerait dans l'espace-temps déformé autour d'un trou noir, et ils ont conclu qu'avec une collection de radiotélescopes de la taille de la Terre, tous fonctionnant aux fréquences les plus élevées du spectre radio, tous observant simultanément le Sagittaire A*, on verrait un cercle noir dix fois plus grand que l'horizon des événements. Au bord de ce cercle, des rayons lumineux seraient piégés, traçant un anneau lumineux. A l'intérieur de cet anneau, l'obscurité. Le Sagittaire A* devrait projeter une ombre.

Que cette ombre puisse être visible depuis la Terre dépendait d'un ensemble étonnant de circonstances. L'atmosphère terrestre est transparente au rayonnement électromagnétique - dans ce cas, certaines micro-ondes - qui brillent depuis le bord du trou noir, même s'il bloque le rayonnement de longueurs d'onde légèrement plus longues et plus courtes. La crasse interstellaire située entre la Terre et le centre galactique devient également transparente à ces fréquences, tout comme les nuages ​​de matière surchauffée juste à l'extérieur du trou noir, bloquant la vue de l'horizon des événements. Plus tard dans la vie, Fulvio Melia a comparé cet alignement aux accidents cosmiques qui nous donnent des éclipses solaires totales. La lune a juste la bonne taille, juste sur la bonne orbite, juste à la bonne distance de la Terre, de temps en temps elle bloque entièrement le soleil. Fulvio n'était pas religieux, mais ces coïncidences étaient si improbables qu'il ne pouvait s'empêcher de penser que l'ombre du trou noir était destinée à être vue. L'univers s'était arrangé pour que les humains voient la sortie la plus proche.

Mais la sortie est mal éclairée. Les radioastronomes soulignent parfois la difficulté de leur travail avec le fait suivant : tout le rayonnement électromagnétique combiné collecté par chaque radiotélescope jamais construit, à l'exclusion de celui émis par notre propre soleil, transporterait trop peu d'énergie pour faire fondre un flocon de neige. Pour compenser cette pénurie - pour collecter le plus d'énergie possible - les astronomes construisent les plus gros plats qu'ils peuvent. Les radiotélescopes de renom du monde sont des créations redoutables. Le télescope Robert C. Byrd de Green Bank, W.Va., mesure 120 pieds de plus que la cathédrale Saint-Paul de Londres. Mais de tels télescopes ne peuvent pas gérer les micro-ondes. Peu de télescopes le peuvent.

La surface réfléchissante en forme de bol d'un radiotélescope - ce plat scintillant géant - est carrelée de panneaux métalliques, chacun poli selon des spécifications rigoureuses. Pour refléter avec précision les ondes radio d'une longueur d'onde d'un millimètre, par exemple, les panneaux doivent être exempts de bosses ou de rayures supérieures à un vingtième de millimètre. Avec suffisamment d'argent, vous pouvez créer d'énormes surfaces réfléchissantes plus lisses que cela. Mais il y a rarement assez d'argent.

Les ondes radio à haute fréquence créent d'autres défis. Plus la résolution d'un télescope est nette, plus il doit viser avec précision sa cible. La précision n'est pas simplement une question d'être extrêmement prudent lorsque vous tournez les boutons et les cadrans. L'ensemble de l'appareil électromécanique de plusieurs millions de dollars qui pivote et dirige l'instrument imposant doit être conçu avec des tolérances plus élevées. Une telle précision est chère, donc la plupart des télescopes ne l'ont pas. Les grands plats se déforment également lorsqu'ils tournent et s'inclinent, et ils se dilatent, se rétrécissent et se déforment en fonction de la température et de l'heure de la journée. Vous pouvez installer des milliers d'actionneurs contrôlés par ordinateur et réglables indépendamment qui ajustent en continu chaque panneau de surface, gardant le télescope au point, mais, encore une fois, coûteux. Pour toutes ces raisons, les radiotélescopes à haute fréquence ont tendance à être petits, généralement pas plus de 10 mètres de diamètre.

Il y a un autre problème. Oui, l'atmosphère terrestre laisse entrer les micro-ondes provenant du bord du trou noir, mais la météo terrestre peut les déformer lors de leur passage. Un bon site pour un radiotélescope à haute fréquence est quelque part en hauteur et très sec, bien dans la zone où des réservoirs d'oxygène d'urgence sont nécessaires, mais suffisamment plat pour contenir une structure de la taille d'un immeuble d'appartements de Manhattan. Si vous devez grimper jusqu'au sommet, cela ne fonctionnera pas : une route, aussi dangereuse soit-elle, devrait aller jusqu'au sommet. Le site doit être situé dans un pays raisonnablement paisible et convivial où vous pouvez expédier des caisses remplies d'horloges atomiques et d'autres équipements sensibles.

Image

Et, bien sûr, pour photographier un trou noir, vous avez besoin d'au moins plusieurs dizaines de personnes possédant la bonne expertise pour s'engager dans des années de travail épuisant et frustrant impliquant des séjours longs et inconfortables dans des observatoires isolés au sommet d'une montagne. Il n'a pas été difficile de trouver des recrues. Le projet a eu beaucoup d'attrait pour les constructeurs de télescopes et les théoriciens : c'était un défi d'ingénierie historique à la recherche d'une image qui pourrait bien être impossible.

Shep Doeleman, le radioastronome qui a donné naissance à la première incarnation du télescope Event Horizon, est un homme de 51 ans, de taille moyenne, aux cheveux bruns fins et chaotiques et aux lunettes à monture métallique. Il avait 32 ans en 2000, à la sortie du journal Falcke-Fulvio-Melia, après deux ans de travail à la tête du V.L.B.I. programme à l'observatoire Haystack du M.I.T. Il était plus proche de la réalité technique que la plupart des astronomes, il avait donc une bonne idée de ce que prendrait une expérience comme celle-ci. Et il savait que ce serait dur.

Au début des années 2000, des observatoires radio à haute fréquence étaient en construction à Hawaï, au Chili, au Mexique et ailleurs, mais lorsque ces observatoires seraient terminés, ils ne seraient toujours pas prêts pour ce travail, car ils n'étaient pas équipés pour faire une base de référence très longue. interférométrie. La liste de mise à niveau variait d'un télescope à l'autre, mais en général, chaque site aurait besoin d'horloges atomiques pour les données d'horodatage afin qu'elles puissent être combinées plus tard avec les données d'autres télescopes, de nouveaux équipements de traitement du signal et des enregistreurs de données, qui étaient encore en cours de conception et la chirurgie invasive pour implanter ce nouveau matériel.

Mais Doeleman était un optimiste et un romantique, et il a vu que le même progrès technologique derrière l'iPod allait bientôt transformer la radioastronomie à haute fréquence. La loi de Moore inaugurerait l'existence de microprocesseurs et de disques durs abordables et puissants qui pourraient remplacer les équipements de traitement du signal fabriqués à la main et les bobines de bande magnétique lentes et capricieuses. Des processeurs plus rapides et des enregistreurs de plus grande capacité permettraient de collecter plus de données avec des paraboles plus petites comme celles en cours de construction à Hawaï, au Chili et au-delà.

Même si chaque nouvel observatoire radio à haute fréquence dans le monde acceptait de jouer le jeu, la logistique était intimidante. Tout devrait fonctionner correctement dans chaque télescope du réseau, sinon tout échouerait. Ils devraient trouver une nuit où Sagittaire A* se trouverait dans la bonne position du ciel pour que les télescopes d'Europe, d'Amérique du Nord, d'Amérique du Sud, d'Hawaï et du pôle Sud puissent tous le voir en même temps. Cette nuit-là, le ciel devrait être dégagé dans tous ces endroits simultanément. Et chaque télescope dont ils auraient besoin devrait rester en activité assez longtemps pour obtenir une image, même si de nouveaux télescopes mis en ligne pourraient mettre les anciens en faillite.

Ils y sont quand même allés. En 2007, après une tentative infructueuse l'année précédente, Doeleman et une petite équipe ont entrepris de prouver le concept, pour voir s'ils pouvaient obtenir un triangle de radiotélescopes à haute fréquence à Hawaï, en Californie et en Arizona pour détecter le Sagittaire A *. Ils ont passé quelques semaines sur le Mauna Kea, à installer et tester le matériel emprunté et à attendre la météo. Les nuits claires, ils restaient debout bien avant le crépuscule jusqu'après l'aube, quand ils emballaient des disques durs remplis de milliards de chiffres représentant le bruit et le signal cosmique dans des caisses en mousse. Ils tiraient des pailles pour décider qui devait conduire les caisses jusqu'à Hilo et FedEx les retournait à Haystack pour la corrélation. À la fin de la course, ils ont démonté leur équipement et l'ont renvoyé dans l'Est. Puis ils sont tous rentrés chez eux. Ils ne savaient pas si l'expérience avait fonctionné.

Ils n'avaient pas le pouvoir télescopique de faire une image, mais ils ont vu quelque chose — une forme plus petite que l'horizon des événements du Sagittaire A*. C'était une percée. Nature a publié les résultats. Harvard et M.I.T. a invité Doeleman à présenter ses résultats. C'était le moment de son arrivée.

Avec ses collaborateurs, Doeleman a transformé ce premier succès en plus de temps de télescope. Chaque fois qu'ils sortaient, ils ajoutaient une nouvelle capacité, atteignaient un nouvel objectif, qu'ils écrivaient ensuite dans les demandes de télescope et les propositions de subvention de l'année suivante. Les succès progressifs se sont aggravés. De plus en plus de scientifiques partageant les mêmes idées rejoignent l'équipe chaque année. En janvier 2012, l'Université de l'Arizona a organisé une réunion de lancement officielle pour l'E.H.T. à Tucson. Le plan pour les trois prochaines années était d'étendre le réseau de trois stations à huit. Les télescopes supplémentaires, ainsi que la nouvelle électronique qu'ils développaient, amélioreraient la sensibilité de l'E.H.T. 40 fois plus. Cela, pensaient-ils, suffirait pour obtenir la première image de l'ombre du Sagittaire A *. Et ils commençaient tout juste à réaliser à quel point cette image pouvait nous dire.

Un examen attentif d'un trou noir serait une aubaine évidente pour les scientifiques qui étudient les origines et le destin des étoiles et des galaxies. Les galaxies et leurs trous noirs centraux semblent évoluer ensemble. Ils passent par des étapes. Parfois, le trou noir passe des éternités à inhaler de la matière aussi vite que possible physiquement, convertissant cette matière en énergie dans un cataclysme de longue durée, à chaque instant l'équivalent de milliards d'armes thermonucléaires détonant simultanément. Dans ces étapes « actives », les trous noirs projettent des jets de matière et d'énergie à travers l'univers, aménageant le cosmos tout comme les grands fleuves fendent les continents et construisent des deltas. Les trous noirs décident quand leurs galaxies hôtes peuvent faire pousser de nouvelles étoiles : quand ils se déchaînent, envoient des ondes de choc et hurlent des vents cosmiques, les bébés étoiles ne peuvent pas grandir. Lorsqu'un trou noir s'installe dans un état de repos, la prochaine génération d'étoiles se forme. Comment et pourquoi ces choses se produisent est encore un mystère, et les réponses peuvent se trouver à proximité de l'horizon des événements.

Le bord d'un trou noir est également un endroit idéal pour tester la théorie de la relativité générale, que les scientifiques tentent depuis un siècle de briser. La relativité générale décrit l'univers sur les plus grandes échelles. Une autre théorie de la nature, tout aussi réussie, tout aussi incassable coexiste maladroitement avec la relativité générale depuis un siècle : la théorie quantique. La théorie quantique régit le monde subatomique. La relativité générale et la théorie quantique régissent parfaitement leurs domaines respectifs. Le problème, c'est qu'ils décrivent des mondes qui ne se ressemblent en rien.

Les deux théories se heurtent le plus violemment dans les trous noirs. Nous disons, par exemple, que le Sagittaire A* est un trou noir de quatre millions de masse solaire, ce qui implique que le trou noir « contient » quatre millions de soleils de matière. Mais les équations d'Einstein disent que l'intérieur d'un trou noir est un vide et que toute la matière qui y est jamais tombée est entassée dans une surface infiniment dense et infiniment petite au centre du trou noir appelée singularité. Cela n'a pas beaucoup de sens, et les scientifiques le savent. Pour comprendre ce qui se passe à la singularité, les scientifiques ont besoin d'une théorie de la gravité quantique : un cadre qui unit la relativité générale à la théorie quantique. Cette théorie peut révéler ce qui se passe, ou s'est passé, à d'autres singularités, y compris celle qui a engendré notre univers - le Big Bang. Mais il est difficile de concilier deux théories contradictoires si vous ne trouvez rien qui cloche avec l'une ou l'autre, et la théorie quantique, comme la relativité générale, a réussi tous les tests. En conséquence, les scientifiques ont recherché des situations de plus en plus extrêmes dans lesquelles tester ces théories. Cela les a conduits aux trous noirs.

Les scientifiques ont passé des années à créer des modèles mathématiques et des simulations informatiques qui prédisent à quoi ressemblera le Sagittaire A* quand et s'ils le voient. Les modèles qui supposent que la relativité générale est correcte prédisent une ombre circulaire avec une goutte décalée de matière surchauffée en orbite. Si les résultats de l'E.H.T. correspondent à ces prédictions, cela confirmera qu'Einstein avait compris l'espace et le temps il y a plus d'un siècle. Mais s'ils ne correspondent pas - ou si l'ombre n'apparaît pas du tout - alors les choses deviennent vraiment intéressantes. Tout écart serait la preuve que les équations d'Einstein ne sont qu'une approximation d'une loi physique plus profonde. Plus que cela, ils fourniraient des indices sur l'identité de cette loi plus profonde. Et si les scientifiques parviennent un jour à comprendre la nature dans ce qu'elle a de plus fondamental, ce serait, comme l'a écrit un jour Stephen Hawking, « le triomphe ultime de la raison humaine – car alors nous devrions connaître l'esprit de Dieu ».

Sur cinq nuits sur une période de 10 jours, des équipes d'observatoires à haute altitude en France, au Mexique, au Chili, en Arizona, à Hawaï et au pôle Sud ont suivi le Sagittaire A* toute la nuit. Lorsque le premier E.H.T. la course d'observation terminée le 11 avril 2017, les astronomes avaient enregistré plus de 65 heures de données. Ils avaient eu de la chance toute la semaine : temps clair, pas de pannes catastrophiques. Les astronomes de chacun des huit observatoires participants ont expédié un total de 1 024 disques durs de huit téraoctets contenant la récolte de l'observation à l'observatoire Haystack et à l'Institut Max Planck de radioastronomie pour la corrélation, et les disques sont tous arrivés en bon état. Ensuite, les opérateurs du corrélateur ont plongé dans le bruit à la recherche de signal, s'ajustant à la dérive des horloges atomiques et aux oscillations de la Terre et aux infimes incertitudes dans les positions des télescopes. Ils ont traqué des espaces mathématiques abstraits pour les corrélations. Et un par un, ils les ont trouvés. Chaque fil du web était intact. Parce qu'ils ne voulaient pas susciter de faux espoirs ou encourager la spéculation, les collaborateurs ont juré de garder le secret.

Pendant plus d'un an, ils ont calibré, corrigé et vérifié leurs données. Puis, en juin, ils ont diffusé les données finales du Sagittaire A* et M87 à quatre petits groupes chargés de créer des images. Les radioastronomes créent des images en fournissant des données sur le rayonnement qu'ils ont observé à des algorithmes qui construisent une image de l'objet qui l'a émis. Si l'E.H.T. étaient un télescope réel de la taille de la Terre, les images seraient simples, les résultats sans ambiguïté et directs. Mais parce que l'E.H.T. n'est que quelques grains de miroir sur un globe en rotation, un nombre infini d'images possibles pourrait expliquer n'importe quel ensemble de données. Pour être sûrs que les images qu'ils ont extraites de leurs données dépeignaient ce qui était vraiment là-haut dans le ciel, ils ont installé des freins et contrepoids dans le processus d'imagerie, d'où les quatre groupes distincts. Pour éviter de s'empoisonner mutuellement - afin que personne ne puisse accidentellement pousser un autre groupe à voir une ombre de trou noir qui n'était pas vraiment là - ces groupes ont travaillé de manière isolée, créant des images en utilisant différents algorithmes et techniques, s'efforçant de discréditer tout ce qui avait l'air trop net, trop propre, trop susceptible d'être le produit d'un vœu pieux.

Au cours des prochains mois, les astronomes termineront leur analyse finale et soumettront leurs résultats à une revue scientifique pour examen par les pairs. Si tout est en ordre, les résultats seront publiés, et alors le monde verra — quelque chose.

Il est possible que nous rencontrions ce que Doeleman appelle le scénario du nez de Dieu, dans lequel une image unique de l'ombre du trou noir devient facilement et rapidement nette. Ou l'image pourrait être boueuse, déroutante, sujette à de multiples interprétations. Peut-être que cela révélera quelque chose de complètement inattendu : après tout, personne n'a jamais vu de trou noir. Même une image immaculée et brûlante de l'ombre d'un trou noir ne mettra pas fin à l'histoire. D'autres scientifiques sépareront l'image et toutes les données qui l'accompagnent. C'est comme ça que ça se passe. Mais même si personne n'est immédiatement d'accord sur ce que nous dit la première image, son arrivée pourrait marquer le début d'une nouvelle ère - avec de la chance, une dans laquelle les gens gagnent du terrain dans la longue et déroutante quête pour comprendre ce qui se passe dans ces endroits sombres. où s'arrête l'espace-temps.


Comment les scientifiques ont pris la première photo d'un trou noir

LE PLUS GRAND TÉLESCOPE JAMAIS Des télescopes du monde entier, dont ALMA, le grand réseau millimétrique/submillimétrique d'Atacama au Chili (photo), ont uni leurs forces pour créer le télescope Event Horizon, une antenne radio virtuelle presque aussi grande que la Terre.

Luc Novovitch/Alamy Banque D'Images

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Les trous noirs sont extrêmement timides face à la caméra. Les trous noirs supermassifs, installés au centre des galaxies, se rendent visibles en crachant des jets brillants de particules chargées ou en projetant ou en déchirant les étoiles proches. De près, ces mastodontes sont entourés de disques d'accrétion rougeoyants de matière tombante. Mais parce que l'extrême gravité d'un trou noir empêche la lumière de s'échapper, les cœurs sombres de ces gros frappeurs cosmiques restent entièrement invisibles.

Heureusement, il existe un moyen de « voir » un trou noir sans scruter l'abîme lui-même. Les télescopes peuvent plutôt rechercher la silhouette de l'horizon des événements d'un trou noir - le périmètre à l'intérieur duquel rien ne peut être vu ou s'échapper - contre son disque d'accrétion. C'est ce que le télescope Event Horizon, ou EHT, a fait en avril 2017, collectant des données qui ont maintenant donné la première image d'un trou noir supermassif, celui à l'intérieur de la galaxie M87.

« Il n'y a rien de mieux que d'avoir une image », déclare Avi Loeb, astrophysicien de l'université Harvard. Bien que les scientifiques aient collecté de nombreuses preuves indirectes des trous noirs au cours du dernier demi-siècle, « voir c'est croire ».

Créer ce tout premier portrait d'un trou noir était cependant délicat. Les trous noirs occupent un minuscule éclat de ciel et, depuis la Terre, semblent très faibles. Le projet d'imagerie du trou noir de M87 nécessitait que des observatoires à travers le monde travaillent en tandem comme une antenne radio virtuelle de la taille de la Terre avec une vision plus nette qu'un seul observatoire ne pourrait le faire seul.

Pour obtenir la première image d'un trou noir, il a fallu connecter des observatoires radio couvrant presque tout le globe dans un réseau appelé Event Horizon Telescope. NRAO/AUI/NSF Pour obtenir la première image d'un trou noir, il a fallu connecter des observatoires radio couvrant presque tout le globe dans un réseau appelé Event Horizon Telescope. NRAO/AUI/NSF

Mettre la « solution » dans la résolution

Pesant environ 6,5 milliards de fois la masse de notre soleil, le trou noir supermassif à l'intérieur de M87 n'est pas une petite frite. Mais vu à 55 millions d'années-lumière de la Terre, le trou noir ne mesure qu'environ 42 microsecondes d'arc dans le ciel. C'est plus petit qu'une orange sur la lune n'apparaîtrait à quelqu'un sur Terre. Pourtant, outre le trou noir au centre de notre propre galaxie, Sagittarius A* ou Sgr A* - l'autre cible d'imagerie de l'EHT - le trou noir de M87 est la plus grande silhouette de trou noir dans le ciel.

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Seul un télescope avec une résolution sans précédent pourrait détecter quelque chose d'aussi petit. (À titre de comparaison, le télescope spatial Hubble peut distinguer des objets aussi petits que 50 000 microsecondes d'arc.) La résolution d'un télescope dépend de son diamètre : plus la parabole est grande, plus la vue est claire - et obtenir une image nette d'un trou noir supermassif nécessiterait une antenne parabolique de la taille d'une planète.

En savoir plus sur les trous noirs

ÉVÉNEMENT COLLABORATION TÉLESCOPE HORIZON

Même pour les radioastronomes, qui ne sont pas étrangers à la construction de grandes paraboles (SN Online: 9/29/17), “this seems a little too ambitious,” says Loeb, who was not involved in the black hole imaging project. “The trick is that you don’t cover the entire Earth with an observatory.”

Instead, a technique called very long baseline interferometry combines radio waves seen by many telescopes at once, so that the telescopes effectively work together like one giant dish. The diameter of that virtual dish is equal to the length of the longest distance, or baseline, between two telescopes in the network. For the EHT in 2017, that was the distance from the South Pole to Spain.

Telescopes, assemble!

The EHT was not always the hotshot array that it is today, though. In 2009, a network of just four observatories — in Arizona, California and Hawaii — got the first good look at the base of one of the plasma jets spewing from the center of M87’s black hole (SN: 11/3/12, p. dix). But the small telescope cohort didn’t yet have the magnifying power to reveal the black hole itself.

Over time, the EHT recruited new radio observatories. By 2017, there were eight observing stations in North America, Hawaii, Europe, South America and the South Pole. Among the newcomers was the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, or ALMA, located on a high plateau in northern Chile. With a combined dish area larger than an American football field, ALMA collects far more radio waves than other observatories.

“ALMA changed everything,” says Vincent Fish, an astronomer at MIT’s Haystack Observatory in Westford, Mass. “Anything that you were just barely struggling to detect before, you get really solid detections now.”

Dream team

These eight radio observatories teamed up in 2017 to work together as a global telescope, called the Event Horizon Telescope network. Their mission: to image a supermassive black hole for the first time. Data from seven were used to create a picture of the black hole inside the galaxy M87 since M87 appears in the northern sky, the South Pole observatory couldn’t see it. Here’s where the observatories are located and how many dishes they contributed to the effort.

H. Calderón/ALMA, ESO, NRAO, NAOJ B. Tafreshi/ESO (APEX) Nicolas Billot/IRAM James Lowenthal/Smith College, UMass Amherst (LMT) David Harvey/Univ. of Ariz. (SMT) Shelbi R. Schimpf (SMA) Daniel Luong-Van/NSF (SPT)

More than the sum of their parts

EHT observing campaigns are best run within about 10 days in late March or early April, when the weather at every observatory promises to be the most cooperative. Researchers’ biggest enemy is water in the atmosphere, like rain or snow, which can muddle with the millimeter-wavelength radio waves that the EHT’s telescopes are tuned to.

But planning for weather on several continents can be a logistical headache.

“Every morning, there’s a frenetic set of phone calls and analyses of weather data and telescope readiness, and then we make a go/no-go decision for the night’s observing,” says astronomer Geoffrey Bower of the Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics in Hilo, Hawaii. Early in the campaign, researches are picky about conditions. But toward the tail end of the run, they’ll take what they can get.

When the skies are clear enough to observe, researchers steer the telescopes at each EHT observatory toward the vicinity of a supermassive black hole and begin collecting radio waves. Since M87’s black hole and Sgr A* appear on the sky one at a time — each one about to rise just as the other sets — the EHT can switch back and forth between observing its two targets over the course of a single multi-day campaign. All eight observatories can track Sgr A*, but M87 is in the northern sky and beyond the South Pole station’s sight.

On their own, the data from each observing station look like nonsense. But taken together using the very long baseline interferometry technique, these data can reveal a black hole’s appearance.

Here’s how it works. Picture a pair of radio dishes aimed at a single target, in this case the ring-shaped silhouette of a black hole. The radio waves emanating from each bit of that ring must travel slightly different paths to reach each telescope. These radio waves can interfere with each other, sometimes reinforcing one another and sometimes canceling each other out. The interference pattern seen by each telescope depends on how the radio waves from different parts of the ring are interacting when they reach that telescope’s location.

M87’s supermassive black hole spits out bright jets of charged subatomic particles that extend thousands of light-years (as seen in this Hubble Space Telescope image). Researchers hope the Event Horizon Telescope’s observations will help uncover the origins of these cosmic light shows. HUBBLE HERITAGE TEAM (AURA/STSCI), NASA

For simple targets, such as individual stars, the radio wave patterns picked up by a single pair of telescopes provide enough information for researchers to work backward and figure out what distribution of light must have produced those data. But for a source with complex structure, like a black hole, there are too many possible solutions for what the image could be. Researchers need more data to work out how a black hole’s radio waves are interacting with each other, offering more clues about what the black hole looks like.

The ideal array has as many baselines of different lengths and orientations as possible. Telescope pairs that are farther apart can see finer details, because there’s a bigger difference between the pathways that radio waves take from the black hole to each telescope. The EHT includes telescope pairs with both north-south and east-west orientations, which change relative to the black hole as Earth rotates.

Pulling it all together

In order to braid together the observations from each observatory, researchers need to record times for their data with exquisite precision. For that, they use hydrogen maser atomic clocks, which lose about one second every 100 million years.

There are a lot of data to time stamp. “In our last experiment, we recorded data at a rate of 64 gigabits per second, which is about 1,000 times [faster than] your home internet connection,” Bower says.

These data are then transferred to MIT Haystack Observatory and the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, for processing in a special kind of supercomputer called a correlator. But each telescope station amasses hundreds of terabytes of information during a single observing campaign — far too much to send over the internet. So the researchers use the next best option: snail mail. So far, there have been no major shipping mishaps, but Bower admits that mailing the disks is always a little nerve-wracking.

Though most of the EHT data reached Haystack and Max Planck within weeks of the 2017 observing campaign, there were no flights from South Pole until November. “We didn’t get the data back from the South Pole until mid-December,” says Fish, the MIT Haystack astronomer.

Filling in the blanks

Combining the EHT data still isn’t enough to render a vivid picture of a supermassive black hole. If M87’s black hole were a song, then imaging it using only the combined EHT data would be like listening to the piece played on a piano with a bunch of broken keys. The more working keys — or telescope baseline pairs — the easier it is to get the gist of the melody. “Even if you have some broken keys, if you’re playing all the rest of them correctly, you can figure out the tune, and that’s partly because we know what music sounds like,” Fish says. “The reason we can reconstruct images, even though we don’t have 100 percent of the information, is because we know what images look like” in general.

Making music

Imaging a black hole with the Event Horizon Telescope is like listening to a song played on a piano with a bunch of broken keys. As seen in this video, the more working keys — or telescope pairs in the array — you have, the clearer the song. Eventually, with enough working keys (purple and blue), scientists can fill in the blanks to get the gist of the tune. In a similar way, once the EHT had enough telescope pairs collecting data in 2017, imaging software could fill in the gaps in the telescopes’ observations to produce a full image of a black hole.

There are mathematical rules about how much randomness any given picture can contain, how bright it should be and how likely it is that neighboring pixels will look similar. Those basic guidelines can inform how software decides which potential images, or data interpretations, make the most sense.

Before the 2017 observing campaign, the EHT researchers held a series of imaging challenges to make sure their computer algorithms weren’t biased toward creating images to match expectations of what black holes should look like. One person would use a secret image to generate faux data of what telescopes would see if they were peering at that source. Then other researchers would try to reconstruct the original image.

“Sometimes the true image was not actually a black hole image,” Fish says, “so if your algorithm was trying to find a black hole shadow … you wouldn’t do well.” The practice runs helped the researchers refine the data processing techniques used to render the M87 image.

Black holes and beyond

So, the black hole inside M87 finally got its closeup. Now what?

The EHT’s black hole observations are expected to help answer questions like how some supermassive black holes, including M87’s, launch such bright plasma jets (SN Online: 3/29/19). Understanding how gas falls into and feeds black holes could also help solve the mystery of how some black holes grew so quickly in the early universe, Loeb says (SN Online: 3/16/18).

The EHT could also be used, Loeb suggests, to find pairs of supermassive black holes orbiting one another — similar to the two stellar mass black holes whose collision created gravitational waves detected in 2015 by the Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, or Advanced LIGO (SN: 3/5/16, p. 6). Getting a census of these binaries may help researchers identify targets for the Laser Interferometer Space Antenna, or LISA, which will search from space for gravitational waves kicked up by the movement of objects like black holes (SN Online: 6/20/17).

Besides imaging solo supermassive black holes, the Event Horizon Telescope could also search for supermassive black hole binaries, which would be targets for a space-based gravitational wave observatory called the Laser Interferometer Space Antenna. Aurore Simonnet/Sonoma State, MIT, Caltech, LIGO

The EHT doesn’t have many viable targets other than supermassive black holes, says astrophysicist Daniel Marrone, at the University of Arizona in Tucson. There are few other things in the universe that appear as tiny but luminous as the space surrounding a supermassive black hole. “You have to be able to get enough light out of the really tiny patches of sky that we can detect,” Marrone says. “In principle, we could be reading alien license plates or something,” but they’d need to be super bright.

Too bad for alien seekers. Still, even if the EHT is a one-trick pony, spying supermassive black holes is a pretty neat trick.

Questions or comments on this article? E-mail us at [email protected]

A version of this article appears in the April 27, 2019 issue of Actualités scientifiques.


Sync your calendar with the solar system

Never miss an eclipse, a meteor shower, a rocket launch or any other astronomical and space event that's out of this world.

“Honestly, it was a dream come true,” Sandra Bustamante, a telescope instrumentalist who worked on the project, said in an interview this week.

Feryal Ozel, an astronomy and astrophysics professor at the University of Arizona who was on the science council for the project, first published a paper on black hole imaging in 2000. She called the unveiling “a sweet moment that’s been a long time in the making.”

In an interview on Thursday, Dr. Ozel said that it was exciting to see people interested in the role of women in science, but she highlighted the contributions of other women and men. That included one of her male graduate students, who took multiple trips to the South Pole, where one of the telescopes was located.

“I think giving credit to any single individual — whether this is a woman or man, young or old — harms the collaboration,” she said.

Penn Sheppard, who works with Girls Inc., an organization that empowers young women and offers after-school programming to support girls learning in science, technology, engineering and math, said that Dr. Bouman’s story resonated in an industry in which women are underrepresented — and in a world in which their scientific contributions have historically gone unacknowledged.

“It was an opportunity to see an accomplished woman play a significant role, and being acknowledged in that role,” she said. “That’s significant because girls and young boys are starting to see that women are scientists — not just you can be, but you are.”

Ms. Issaoun said she also wanted to celebrate the success of a diverse collaboration of scientists, but she said she understood why the photo of Dr. Bouman went viral.

“We love this photo too, because she looks so happy,” said Ms. Issaoun, who said she got shivers when she saw the image of a black hole. “I think her expression really captures how we all felt when we first saw it.”


Thoughts from a Planetarian: Why Take a Picture of a Black Hole

As you have probably seen we took a picture of a black hole. If not, it looks like this.

This is the first week that I’ve been back in the planetarium talking with guests about it, and it seems like people are generally psyched about it. But I’ve received a question a few times that has kinda stuck with me. Put simply it’s the question:

Why take a picture of a black hole?”

Which was, for me, surprisingly difficult to answer. We’ve known about black holes since the fifties, and the math suggesting their existence (general relativity) goes back even further—to 1918! We had clear evidence for a black hole in the center of our galaxy, and we had identified binary systems such as Cygnus X-1 that clearly included black holes. The consensus in the scientific community is that these things are real and we even know where a bunch of them are. The math that proves they exist is one of the most rigorously tested (and successful) theories of all time. So, long story short, we took a picture of a thing we already knew was there, and it looked exactly as we thought it would. Neat, I guess.

So again, why is it a big deal?

I would aimer to say it’s because it’s proof that black holes are real, but we already knew that.

I would aimer to say it’s because it’s a new and powerful technology, but in that case it wouldn’t matter what image we captured.

The real reason it’s important is because, as we know so well here at Morrison, humans are visual animals.

We had models of black holes long before this, and knew exactly what the picture would look like—but up until this point it was always with the caveat of *artist’s interpretation or *based on models. And that’s just not good enough for us. The caveats shouldn’t matter—our computers (and the maths they use) are so much better than our brains. Nous devrait trust them. But we don’t. Not really.

Instead we used eight of our most powerful telescopes to take a picture of a thing in all kinds of ways we don’t normally see (from low energy radio up through X-rays) and then threw in some hideously complicated math just to reproduce what it would look like if we were close enough so our feeble eyes could see an image and for some reason that means more than all the models in the world ever could.

And the picture we ended up with is so similar to our models and the procedure so convoluted that I wouldn’t be able to pull it out from a lineup of fakes. Yet knowing that at some level, it came from real data makes all the difference.

Scientists long ago moved away from eyewitness testimony—in theory. In practice it seems like we still have quite a ways to go.


Why not take a picture of a closer black hole? - Astronomie

“You need to be able to tell the difference between one wave front and the next, and if the next wave front is 1.3 mm behind and traveling at the speed of light, then you need to reliably distinguishing between events 4 picoseconds apart (4 trillionths of a second). So, every telescope needs a shiny new atomic clock and a really fast camera. You begin to get a sense of why the data consolidation looks more like a cargo shipment than an email attachment trillions of snapshots every second of not just the waves you’re looking for, but also the waves that will cancel out once all the data is processed. Add to that the challenge of figuring out (generally after the fact) where every detector is to within a fraction of a millimeter even as their orientation changes and the Earth rotates, and you’ve got a problem.”

Just stupefyingly complex and amazing!

For a wavelength of 1.3 mm, weɽ want the time tagging to be better than a quarter of the wavelength at least - say 0.3 mm. The speed of light is 300 mm/ns (a foot per nanosecond is the shorthand beloved of circuit and chip designers). So, for 0.3 mm, we're going to have to get down to a wavefront tagging accuracy of 0.001 ns.

No clock is going to get there, but if we can get

close enough, we can use a procedure called fringe fitting to determine the clock corrections by looking at the wavefronts. (Does it line up this way? How about this way? How about now? Yes, it's as laborious as it sounds, but computers, eh.)

This is all in the calibration of data, before we do the Fourier inversion to create images - the magic of radio interferometry is that we can record the signal to disk while preserving phase. Optical photons can not be recorded and played back with phase preserved - optical interferometry has to split up the photon streams and send different parts to be correlated against streams from other telescopes, so you run out of signal quickly. Meanwhile, we can record radio waves at the 27 VLA dishes, say, and play them back for correlation on all 27*26˲ = 354 baselines, no problem. That's why radio VLBI is a thing, but not optical VLBI.

Even as a professional radio astronomer, the underlying physics is deep and almost magical.

Hi, long baseline optical interferometrist here who specializes in modeling and image reconstruction.

To set the record straight, long baseline optical interferometry really est a thing. At present there are two optical interferometers operating in the USA and one under construction: Georgia State University's Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA), and the Navy Precision Optical Interferometer (NPOI), and New Mexico Tech's Magdalena Ridge Optical Interferometer (MROI, under construction). Europe operates the Very Large Telescope Interferometer (VLTI) in Chile. Australia has the Sydney University Stellar Interferometer (SUSI). Optical interferometers have been around for a really long time. Michelson famously measured the diameter of Betelgeuse in December 1920. The first image from an optical interferometer was of Capella produced by the University of Cambridge's COAST telescope in September 1995.

The key difference between VLBI and optical interferometry is that we must combine the light from each telescope in real time, rather than recording the RF data to disk and forming the interference patterns later using correlation. Our interference patterns are recorded on high speed cameras, extracted, calibrated, and then stored as OIFITS files. These files are then later reconstructed using a variety of methods, including Markov chain processes and regularized maximum entropy.

Except for the CLEAN deconvolution process, the methods used to reconstruct images from the EHT data are identical to what optical interferometry has been doing for decades (see https://iopscience.iop.org˺rticle⼐.3847�-8213�, Section 2.2.2 for references to literature). The maximum entropy process used for optical interferometric image reconstruction was, in turn, developed for MRI image reconstruction.

Don't get me wrong, I am not attempting to trivialize the result of the EHT team. The effort involved is monumental and the result is astonishing. In fact, I suspect my facial expression was very similar to Katie Bouman's now famous photo when I first saw the image. Then my jaw hit the floor when I found that some of my work (Baron, Monnier, Kloppenborg 2010) was cited in their imaging paper! However, my first inspection of the "eht-imaging" and "SMILI" repositories has yet to reveal anything new or novel that is not regularly employed by optical interferometrists.


Scientists Convene to Take a Picture of the Supermassive Black Hole at the Center of the Milky Way

It might sound like science-fiction, but on Wednesday January 18th, astronomers, physicists, and scientists will convene in Tucson, Arizona, to discuss a feat that would have been considered ludicrous just a couple of years ago. They plan on taking a picture of a black hole.

The conference is being organized by Dimitrios Psaltis, an associate professor of astrophysics at the University of Arizona’s Steward Observatory, and Daniel Marrone, an assistant professor of astronomy at Steward Observatory.

Today’s technological means, which weren’t as advanced even 5 years ago, will give the team a chance at succeeding. The existence of black holes has been supported by observations and measurements, but it has never been possible to directly observe one. Black holes are the most extreme environment in the universe, making them eerily difficult to observe directly.

The gravity field surrounding a black hole is so great that it swallows up anything within its reach. Not even light can escape, which means that black holes don’t emit any light. They blend into the void of nothingness in the background of the universe.

The dust and gas that swirls around a black hole compresses into a plasma, heated to a billion degrees or more, causing it to glow and radiate energy, which is detectable. This means that the event horizon of the black hole could be observed. There is indirect evidence that there is a supermassive black hole at the center of the Milky Way, weighing one to four million times the mass of Sol, but from 26,000 light years away, it appears to be about the same size as a grapefruit on the moon.

To that end, the team wants to turn 50 radio telescopes scattered around the world, including the Submillimeter Telescope on Mt. Graham in Arizona, telescopes on Mauna Kea in Hawaii and the Combined Array for Research in Millimeter-Wave Astronomy, into a giant telescope. The global array will include many radio telescopes in Europe. The virtual telescope will have a mirror the size of the Earth. Every year, they plan on adding more telescopes, gradually sharpening the image of the black hole.

General Relativity predicts that the event horizon must be a perfect circle. If the shadow is oblate instead of circular, it means that Einstein’s Theory of General Relativity must be flawed in some fashion. The theory has never been tested at such field strengths before.

The data will be recorded onto hard drives, which will be collected and sent to a central processing center at MIT’s Haystack Observatory.


Black hole picture captured for first time in space breakthrough

Astronomers have captured the first image of a black hole, heralding a revolution in our understanding of the universe’s most enigmatic objects.

The picture shows a halo of dust and gas, tracing the outline of a colossal black hole, at the heart of the Messier 87 galaxy, 55m light years from Earth.

What are black holes?

Black holes were first predicted by Einstein’s theory of general relativity, which reimagined gravity as the warping of space and time by matter and energy.

The equations predicted that, beyond a certain threshold, when too much matter or energy is concentrated in one place, space and time collapse, leaving behind a sinkhole through which light and matter can enter but not escape.

At first these were thought to be mathematical oddities, rather than real astronomical objects, but in the past century overwhelming evidence has confirmed that black holes are out there.

The edge of the black hole is defined by its so-called event horizon. This is the point at which escaping would require something to travel at faster than the speed of light – which as far as we know nothing does – so it is the point of no return.

Black holes are surrounded by an accretion disk of dust and gas, orbiting at close to the speed of light. A lot of this material is destined for oblivion, although some of it is ejected as powerful jets of radiation.

The black hole itself – a cosmic trapdoor from which neither light nor matter can escape – is unseeable. But the latest observations take astronomers right to its threshold for the first time, illuminating the event horizon beyond which all known physical laws collapse.

The breakthrough image was captured by the Event Horizon telescope (EHT), a network of eight radio telescopes spanning locations from Antarctica to Spain and Chile, in an effort involving more than 200 scientists.

Sheperd Doeleman, EHT director and Harvard University senior research fellow said: “Black holes are the most mysterious objects in the universe. We have seen what we thought was unseeable. We have taken a picture of a black hole.”

Astronomers reveal first-ever picture of a black hole – video

France Córdova, director of the US National Science Foundation and an astrophysicist, said that the image, which she had only seen as it was unveiled at the press briefing she was chairing, had brought tears to her eyes. “We have been studying black holes for so long that sometimes it’s easy to forget that none of us has seen one,” she said. “This will leave an imprint on people’s memories.”

The image gives the first direct glimpse of a black hole’s accretion disc, a fuzzy doughnut-shaped ring of gas and dust that steadily “feeds” the monster within.

The EHT picks up radiation emitted by particles within the disc that are heated to billions of degrees as they swirl around the black hole at close to the speed of light, before vanishing down the plughole.

The halo’s crescent-like appearance in the image is because the particles in the side of the disc rotating towards Earth are flung towards us faster and so appear brighter. The dark shadow within marks the edge of the event horizon, the point of no return, beyond which no light or matter can travel fast enough to escape the inexorable gravitational pull of the black hole.

Black holes were first predicted by Einstein’s theory of relativity – although Einstein himself was sceptical that they actually existed. Since then, astronomers have accumulated overwhelming evidence that these cosmic sinkholes are out there, including recent detection of gravitational waves that ripple across the cosmos when pairs of them collide.

But black holes are so small, dark and distant that observing them directly requires a telescope with a resolution equivalent to being able to see a bagel on the moon. This was once thought to be an insurmountable challenge.

The EHT achieved the necessary firepower by combining data from eight of the world’s leading radio observatories, including the Atacama Large Millimetre Array (Alma) in Chile and the South Pole Telescope, creating an effective telescope the size of the Earth.

When observations were launched in 2017, the EHT had two primary targets. First was Sagittarius A*, the black hole at the centre of the Milky Way, which has a mass of about 4m suns. The second target, which yielded the image, was a supermassive black hole in the galaxy M87, into which the equivalent of 6bn suns of light and matter has disappeared.

The collaboration is still working on producing an image of the Milky Way’s black hole. “We hope to get that very soon,” said Doeleman.

The success of the project hinged on clear skies on several continents simultaneously and exquisite coordination between the eight far-flung teams. Observations at the different sites were coordinated using atomic clocks, called hydrogen masers, accurate to within one second every 100 million years. And, on one night in April 2017, everything came together. “We got super lucky, the weather was perfect,” said Ziri Younsi, a member of the EHT collaboration who is based at University College London.

The sheer volume of data generated was also unprecedented – in one night the EHT generated enough data to fill half a tonne of hard drives. This meant waiting for half a year for the South Pole data, which could only be shipped out at the end of Antarctic winter.

The observations are already giving scientists new insights into the weird environment close to black holes, where gravity is so fierce that reality as we know it is distorted beyond recognition.


2 Answers 2

There was a mention of Sagittarius A* during the Q+A portion of the press conference the team indicated that they hope to produce an image sometime in the future (although they were careful to make no promises, and they're not assuming they'll be successful).

That said, I'm not wholly surprised that we ended up seeing M87, rather than Sgr A*, for a couple reasons which the team mentions in their first paper:

  • As Glorfindel said, Sgr A*'s event horizon is much smaller, meaning matter orbiting the black hole has a shorter orbital period. This contributes to variability on the timescale of minutes. The observations of M87 took place over the course of a week - roughly the timescale over which that target varies, meaning the source should not change significantly over that time.
  • Second - and this is the reason I've seen cited more often - Sgr A* lies in the center of our galaxy, and so thick clouds of gas and dust lie between it and us. That results in scattering, which is a problem. There are ways to mitigate this, of course, and the team has spent a long time on this, but it's simpler to just look at the black hole that doesn't have that problem in the first place. That's why M87's black hole is an attractive target.

Neither of these are impossible hurdles to overcome, but they're certainly very real difficulties that can't be ignored.

$begingroup$
@curiousdannii I'd gotten definite information only the day before saying that it was going to be just M87, but I hadn't heard anything but rumors before that. Out of curiosity, where did you hear the reports?
$endgroup$
– HDE 226868 ♦
hier

I've found an explanation in Dutch here by Heino Falcke, one of the EHT founders. Translation:

Hard to photograph

It was easiest to take a picture of M87. "It is very difficult to photograph the black hole in our Milky Way, because the material around it moves very fast: the vortex rotates around its axis in 20 minutes. Compare it to a toddler who has to sit still for hours to be photographed: that's not possible. With M87, the matter revolves around the hole in two days, so it's easier to photograph", says Falcke.


(The original text is as follows:)

Lastig te fotograferen

Het lukte het beste om een foto te maken van M87. "Het is heel lastig om het zwarte gat in onze Melkweg op de foto te zetten, doordat de materie daaromheen heel snel beweegt: de draaikolk draait in 20 minuten om zijn as. Vergelijk het met een kleuter die urenlang stil moet zitten om op de foto te gaan: dat gaat niet. Bij M87 draait de materie in twee dagen om het gat heen, dus dat is makkelijker te fotograferen", zegt Falcke.



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