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Voir l’invisible: comment le lauréat du prix Nobel Andrea Ghez a trouvé le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée

L’astrophysicienne Andrea Ghez a passé sa carrière scientifique au centre de la voie Lactée, essayant de voir l’invisible.

En 2020, elle a remporté un prix Nobel pour ce travail, qui a considérablement renforcé la preuve qu’un trou noir supermassif, invisible pour nos instruments, se cache au cœur de la galaxie. Elle est également devenue juste le quatrième femme à remporter le prix Nobel de physique dans plus d’un siècle d’histoire du prix, une statistique qu’elle a déclaré à 45secondes.fr qu’elle considérait comme une responsabilité.

Pendant ce temps, la même campagne d’observation qui a éclairé la recherche primée se poursuit aujourd’hui, alors qu’elle et ses collègues s’attaquent à des questions de plus en plus profondes sur l’univers. « Le but n’est jamais d’obtenir un prix, mais plutôt de faire de la science », a déclaré Ghez, qui fait des recherches et enseigne à l’Université de Californie à Los Angeles, à 45secondes.fr.

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Quand elle a commencé ses recherches, Ghez a combiné ses travaux antérieurs sur la technologie d’imagerie avec un intérêt de longue date pour trous noirs pour s’attaquer à un mystère intrigant: qu’est-ce qui créait une étrange lumière radio au centre de la Voie lactée?

« Il y avait certainement eu la suggestion qu’il pourrait y avoir un trou noir là-bas, mais il y avait une énorme quantité de controverse autour de cette possibilité », a déclaré Ghez. « Son émission ressemblait à ce que les gens voyaient ailleurs qui était lié aux trous noirs. Mais c’était vraiment minable, cela aurait pu être tant d’autres choses. »

Alors Ghez s’est mis à étudier le centre de la galaxie. Son approche consistait à suivre les étoiles les plus proches du centre de la galaxie, estimant qu’elles étaient sous l’influence de tout ce qui créait l’étrange émission. Ghez a reconnu que la technologie avec laquelle elle avait déjà travaillé s’appelle l’optique adaptative, qui explique la distorsion des données astronomiques causée par l’atmosphère terrestre, pourrait aiguiser la vue des astronomes sur ces étoiles suffisamment pour suivre leur mouvement.

D’autres n’étaient pas aussi convaincus; elle a noté que la première proposition de temps d’observation pour le projet a été rejetée. Et même une fois qu’elle avait du temps sur le télescope, il y avait des obstacles à surmonter. « Vous devez d’abord prouver que votre imagerie fonctionne, que vous pouvez prendre une photo, et qu’il y a quelque chose à voir – qu’il y a en fait des étoiles dans cette région et que vous pouvez suivre leur mouvement. »

Mais finalement, chacune de ces étapes s’est mise en place et Ghez et ses collègues ont commencé à suivre une foule d’étoiles individuelles près du centre de la galaxie.

L’une de ces étoiles est passée du statut de tache de lumière inconnue à celle de l’étoile préférée de Ghez, maintenant connue sous le nom de SO-2. « Nous l’avons découvert et ça bougeait vite, c’était clairement intéressant. C’était l’une des stars qui nous intéressait et c’est définitivement devenu la star de la série », a-t-elle déclaré. « Il s’est avéré que c’était celui avec le plus court [orbital] période, mais vous ne pouviez pas comprendre cela au début. « 

Suivre SO-2 et ses compagnons avec une bonne dose de patience signifiait que Ghez pouvait commencer à estimer à quel point la masse était emballée dans cet objet mystérieux au centre de la galaxie. Au fur et à mesure que les observations s’accumulaient, Ghez et ses collègues devinrent convaincus qu’au centre de la galaxie se trouvait une énorme quantité de matière dans un espace minuscule. Ces caractéristiques correspondent à un trou noir, mais les preuves n’étaient pas encore assez solides.

« Mais encore, il y avait des explications alternatives, et donc ce que cela vous dit, c’est que vous devez continuer », a déclaré Ghez. Heureusement, il a été plus facile de poursuivre la recherche que de la démarrer. « À ce moment-là, il était clair que la technique fonctionnerait, il était clair que quelque chose d’intéressant se passait pour que nous puissions avoir plus de temps de télescope. »

Des implications massives

Au fur et à mesure que le temps passait et que les données s’accumulaient, les recherches de Ghez, ainsi que des recherches indépendantes menées par Reinhard Genzel, ont confirmé qu’il s’agissait d’un trou noir supermassif qui se cachait au centre de la Voie lactée; en 2020, Ghez et Genzel se sont partagés la moitié du prix Nobel.

Mais la découverte ne consistait pas seulement à marquer des monstres sur notre carte de la galaxie. Parce que les scientifiques n’ont aucune preuve que notre galaxie est particulièrement spéciale, comprendre comment notre propre trou noir supermassif et le reste de la galaxie interagissent a des implications plus larges.

« C’est l’exemple le plus proche d’un centre d’une galaxie que nous devrons jamais étudier; le centre le plus proche d’une galaxie est 100 fois plus éloigné », a déclaré Ghez. « Nous avons donc maintenant ce merveilleux laboratoire pour comprendre à la fois la physique des trous noirs et comprendre vraiment comment la gravité fonctionne dans cette région autour d’un objet où les lois finiront par s’effondrer. »

Le travail de Ghez a également soutenu ce qui est peut-être l’avancée la plus annoncée dans l’étude des trous noirs supermassifs dans les cœurs galactiques depuis sa découverte, le Télescope Event Horizon. Ce projet est un réseau mondial de télescopes collaborant pour créer une représentation visuelle des ombres des trous noirs supermassifs aux centres de la Voie lactée et de la galaxie appelée M87, située à 54 millions d’années-lumière dans la constellation de la Vierge, selon la NASA.

La collaboration analyse toujours les observations de la Voie lactée, mais en Avril 2019 publié ce qu’on appelle souvent la première image de l’ombre du trou noir au cœur de M87. (Les scientifiques affiliés au projet ont déclaré que le trou noir de la Voie lactée est plus difficile à étudier que celui du M87 car il est plus actif.)

«Vous regardez un anneau créé par l’influence gravitationnelle sur les photons», ou des particules de lumière, a déclaré Ghez à propos du travail du télescope Event Horizon. « C’est de la même manière que nous voyons le trou noir: c’est l’influence gravitationnelle sur les choses qui l’entourent. »

Pour Ghez, cela fait du travail du télescope Event Horizon une étape scientifique passionnante. «C’est tellement puissant quand on peut apporter plusieurs approches pour étudier le même phénomène», a-t-elle déclaré. « Cela vous donne vraiment un aperçu beaucoup plus profond lorsque vous pouvez combiner plusieurs techniques. »

Alors même que les scientifiques unissent leurs forces pour s’attaquer aux mystères des trous noirs, Ghez et ses collègues poursuivent leur surveillance attentive des étoiles au cœur de la Voie lactée. Et ils n’ont pas l’intention de s’arrêter de si tôt, car chaque nouvelle observation augmente la puissance de l’ensemble complet de données.

La recherche a également mis en évidence de nouvelles énigmes que la science n’a pas encore expliquées, comme comment de nouvelles étoiles peuvent se former si près d’un trou noir supermassif. « Il y a un certain nombre de paradoxes vraiment intéressants qui sont nés de la capacité de voir le centre de la galaxie de ces manières nouvelles et différentes », a déclaré Ghez.

Et puis il y a un passe-temps favori des physiciens partout: vérifier le travail de Albert Einstein pour voir si ça tient toujours.

Premièrement, les recherches de Ghez ont confirmé que les photons proches du noir supermassif mais échappant à son trou de gravité perdaient de l’énergie d’une manière spécifique qui correspondait aux prédictions d’Einstein. Maintenant, l’équipe travaille sur un deuxième test, cette fois analysant comment les objets se déplacent dans l’espace-temps. Les scientifiques devraient avoir suffisamment de données d’ici quelques années pour évaluer ses prédictions là aussi.

« J’ai toujours adoré cette étape dans une expérience où vous n’êtes pas tout à fait sûr de ce qui va se passer, mais il est clair qu’un signal émerge clairement », a déclaré Ghez.

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Faire pression pour la diversité

Parallèlement à son travail scientifique, Ghez a également été aux prises avec les défis de travailler dans un domaine qui peut être hostile aux femmes. Elle voit une nette amélioration dans le taux de femmes obtenant un doctorat en physique aujourd’hui par rapport au moment où elle a commencé son propre doctorat, mais dit qu’il reste encore du travail à faire pour inclure tous les groupes minoritaires dans la science.

Pour Ghez, le prix Nobel est un outil pour cela. «J’ai toujours été intéressée par cette question de savoir comment encourager les filles dans les sciences, et je pense que la meilleure façon de le faire est de réussir, de manière visible», a-t-elle déclaré.

Et parce que le prix signifie des hôtes d’invitations à prendre la parole, il peut être un outil pour atteindre un large public, a-t-elle déclaré, avec une sélection minutieuse. « Gagner le prix s’accompagne de nombreuses opportunités et de nombreuses responsabilités », a déclaré Ghez. « Cela vous oblige à vous demander quelles activités vous aideront à faire avancer ce que vous pensez être le plus important? »

Pendant ce temps, Ghez a déclaré qu’elle encourage ceux qui ont du mal à se voir dans la science à trouver des systèmes de soutien. «Surtout lorsque vous êtes une minorité, en trouvant ces communautés dont vous pouvez faire partie où vous n’êtes pas une minorité, j’ai toujours trouvé cela essentiel à ma propre implication professionnelle», a-t-elle déclaré.

En fin de compte, il s’agit de surmonter les obstacles du terrain. « Mon expression préférée est que chaque défi est une opportunité », a déclaré Ghez. « Alors, comment vous entourez-vous de personnes qui peuvent vous aider à traduire les défis – pour ne pas faire peu de ces défis – en opportunités? »

Envoyez un courriel à Meghan Bartels à [email protected] ou suivez-la sur Twitter @meghanbartels. Suivez nous sur Twitter @Spacedotcom et sur Facebook.

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