L'observation d'un quasar la plus précise jamais réalisée

Une équipe internationale d'astronomes a observé le coeur d'un quasar lointain avec une précision sans précédent, deux millions de fois plus fine que la vision humaine. Ces observations, réalisées en connectant pour la première fois le télescope APEX (Atacama Pathfinder Experiment) (1) à deux autres télescopes situés sur des continents différents, constituent une étape cruciale vers le fabuleux objectif scientifique du projet "Event Horizon Telescope" (2): photographier les trous noirs supermassifs au centre de notre galaxie et des autres.


Des astronomes ont connecté APEX au Chili avec le Submillimeter Array (SMA) (3) à Hawaï, États-Unis et le Submillimeter Telescope (SMT) (4) en Arizona, États-Unis. Ils ont été capables de réaliser l'observation directe la plus précise jamais réalisée (5) du centre d'une galaxie lointaine, le lumineux quasar 3C 279, qui contient un trou noir supermassif dont la masse est égale à environ un milliard de fois celle du Soleil et qui est si éloigné de la Terre qu'il a fallu plus de 5 milliards d'années à sa lumière pour nous atteindre. APEX est une collaboration entre le Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR), l'Onsala Space Observatory (OSO) et l'ESO. APEX géré par l'ESO.

Les télescopes ont été reliés en utilisant une technique appelée Interférométrie à très longue base (VLBI, Very Long Baseline Interferometry). Les plus grands télescopes permettent des observations plus précises et l'interférométrie permet à de multiples télescopes de fonctionner comme un seul télescope aussi grand que la distance - ou la "ligne de base" - qui les sépare. En utilisant la technique VLBI, des observations plus précises peuvent être réalisées en ayant des distances aussi grandes que possible entre les télescopes. Pour les observations de leur quasar, cette équipe a utilisé trois télescopes afin de créer un interféromètre ayant une ligne de base transcontinentale d'une longueur de 9447 km, du Chili à Hawaï, de 7174 km du Chili à l'Arizona et de 4627 km de l'Arizona à Hawaï. La connexion d'APEX à ce réseau a été essentielle, car il offre les plus grandes ligne de base.

Les observations effectuées dans les ondes radio avec une longueur d'onde de 1,3 millimètre. C'est la première fois que des observations à des longueurs d'onde aussi courtes ont été réalisées en utilisant des ligne de base aussi longues. Les observations ont atteint une précision, ou résolution angulaire, de seulement 28 microarcsecondes - environ 8 milliardièmes de degré. Ceci équivaut en fait à la capacité de distinguer des détails avec une précision incroyable, deux millions de fois plus précise que la vision humaine. Des observations de cette précision peuvent sonder des zones de moins d'une année-lumière à travers le quasar - un résultat remarquable pour une cible située à des milliards d'années lumière de la Terre.

Ces observations constituent une nouvelle étape clé vers la réalisation d'images des trous noirs supermassifs et de leurs alentours. Dans le futur, il est prévu de connecter encore plus de télescopes de cette manière afin de créer ce que l'on appelle le "Event Horizon Telescope". Le "Event Horizon Telescope" sera capable de réaliser une image de l'ombre du trou noir supermassif du centre de la Voie Lactée ainsi que de ceux des galaxies proches. L'ombre - une région sombre observée sur un arrière-plan plus lumineux - est provoquée par la courbure de la lumière due au trou noir et devrait être la première preuve observationnelle de l'existence de l'horizon événementiel d'un trou noir, la limite à partir de laquelle la lumière ne peu plus s'échapper.

Cette expérience d'observations par la technique VLBI est la première à laquelle APEX participe. Il s'agit de l'aboutissement de trois années de dur travail à la haute altitude où se trouve APEX, sur la plateau de Chajnantor dans les Andes chiliennes, à 5000 mètres d'altitude, où la pression atmosphérique est environ la moitié de celle que l'on trouve au niveau de la mer. Afin de rendre APEX près pour la technique VLBI, des scientifiques allemands et suédois ont installé un nouveau système digital s'acquisition des données, une très précise horloge atomique et un enregistreur de données pressurisé capable d'enregistrer 4 gigabits par seconde pendent plusieurs heures dans des conditions environnementales très dures (6). Les données - 4 terabytes pour chaque télescope - ont été envoyées en Allemagne sur des disques durs et ont été traitées au Max Planck Institute for Radio Astronomy à Bonn.

Le succès de l'association d'APEX à ce réseau est également important pour une autre raison. Il partage sont site et de nombreux aspects de sa technologie avec le nouveau télescope ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) (7). ALMA est actuellement en construction et sera constitué, une fois terminé, de 54 antennes de 12 mètres de diamètre identique à APEX, plus 12 antennes plus petites de 7 mètres de diamètres. La possibilité de connecter ALMA à ce réseau est en cours d'étude. Avec la considérable augmentation de la surface collectrice des antennes d'ALMA, les observations pourraient atteindre une sensibilité 10 fois meilleure que celle obtenue pour ces premiers tests. Ceci rendra accessible l'ombre du trou noir supermassif de la Voie Lactée pour des observations futures. 


Notes:

(1) APEX est une collaboration entre le Max Planck Institute for Radio Astronomie (MPIfR), l'Onsala Space Observatory (OSO) et l'ESO. L'exploitation d'APEX à Chajnantor est confiée à l'ESO. APEX est le précurseur de la prochaine génération de télescopes submillimétriques, ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), en cours de construction et exploité sur le même plateau.

(2) Le projet Event Horizon Telescope est une collaboration internationale coordonnée par le MIT Haystack Observatory (USA).

(3) Le Submillimeter Array (SMA) sur le Mauna Kea à Hawaï, composé de 8 antennes de 6 mètres chacune, est géré par le Smithsonian Astrophysical Observatory (USA) et l' Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (Taiwan).

(4) The Submillimeter Telescope (SMT) de 10 mètres de diamètre au sommet du Mont Graham, Arizona, est géré par l'Arizona Radio Observatory (ARO) à Tucson, Arizona (USA).

(5) Quelques techniques indirectes ont été utilisées pour tester des échelles plus précises, par exemple en utilisant les lentilles gravitationnelles (voir heic1116) ou la scintillation interstellaire, mais c'est un record pour des observations directes.

(6) Ces systèmes ont été développés en parallèle aux États-Unis (MIT-Haystack observatory) et en Europe (MPIfR, INAF — Istituto di Radioastronomia Noto VLBI Station, et HAT-Lab). Un maser à hydrogène standard (T4Science) a été installé en tant qu'horloge atomique très précise. Le SMT et le SMA avaient déjà été équipés de la même manière pour la technique VLBI.

(7) ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), un équipement international pour l'astronomie, est un partenariat entre l'Europe, l'Amérique du Nord et l'Asie de l'Est en collaboration avec la République du Chili. L'ESO est le partenaire européen d'ALMA.