Comment les scientifiques ont collaboré pour créer la première image au monde d'un trou arrière

En avril dernier, une coalition de centaines de scientifiques du monde entier s'est réunie pour réaliser quelque chose qui était auparavant considéré comme impossible: produire le toute première image d'un trou noir, dans le cadre du projet Event Horizon Telescope (EHT).

Jonathan Weintroub est un ingénieur électricien et scientifique qui a joué un rôle de premier plan dans la conception du instrumentation numérique pour l'ensemble du réseau, et qui a été impliqué dans l'EHT depuis ses débuts étapes. Digital Trends a discuté avec lui des défis liés au rassemblement d'un si grand nombre de personnes, d'institutions et de télescopes autour d'un objectif commun.

Cet article fait partie de notre série, L'innovation par la collaboration

La collaboration est le super pouvoir de l’humanité. Il a permis certaines des avancées les plus significatives que le monde ait jamais connues, et dans cette série, nous présenterons certains des exemples les plus incroyables et les plus inspirants de collaboration qui se déroule correctement maintenant.

Rénover des télescopes pour une nouvelle fonction

Le projet nécessitait l'utilisation de huit télescopes différents dans six endroits différents. Ces télescopes n’ont cependant pas été conçus sur mesure pour cette tâche: Weintroub et ses collègues ont pris des télescopes existants et les ont équipés de nouveaux équipements pour les intégrer à un ensemble mondial.

La plupart des télescopes étaient des paraboles simples, comme le télescope du pôle Sud en Antarctique ou l'IRAM. Télescope de 30 mètres en Espagne, "donc ils ressemblent à votre antenne parabolique pour votre télévision, mais en plus grand", Weintroub expliqué. L'équipe a installé deux équipements sur chaque parabole: premièrement, il y avait un backend numérique composé d'un convertisseur analogique-numérique et d'un ordinateur Linux avec 256 téraoctets de stockage par enregistreur. Quatre de ces enregistreurs par site contenaient un total de 1,2 pétaoctets de données.

Deuxièmement, il y avait une horloge atomique, car des horodatages précis sont essentiels pour obtenir des lectures précises sur l’ensemble du réseau. "Il a la taille d'un réfrigérateur de dortoir et il maintient l'heure à environ une seconde tous les dix millions d'années", a déclaré Weintroub.

Certains des télescopes impliqués étaient des réseaux composés de plusieurs paraboles, comme le Submillimeter Array à Hawaï ou le Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array au Chili. Pour le projet EHT, ces réseaux doivent agir comme une seule station. Cela impliquait une étape de traitement supplémentaire, comme l'explique Weintroub: « Au lieu d'effectuer le traitement standard que nous effectuons sur le signaux, nous construisons un instrument spécial qui additionne la sortie de chaque télescope du réseau et présente un seul signal pour numériser. »

Une coïncidence de beau temps

Une fois les données collectées sur chaque site de télescope, elles ont été envoyées à un emplacement central pour traitement, soit dans le Massachusetts, soit à Bonn, en Allemagne. Mais « 1,2 pétaoctets à chaque station, c’est beaucoup trop de données pour être envoyés sur Internet », a déclaré Weintroub. « Nous emballons donc physiquement ces disques dans une boîte et nous les expédions vers un emplacement central. »

Les disques du télescope du pôle Sud se sont toutefois avérés un défi. « Ni FedEx ni UPS ne dessert le pôle Sud, et lorsque nous effectuons l'observation en avril, il n'y a pas de service aérien. Fin février, ils ont arrêté les avions et il n’y a plus qu’une équipe réduite à l’emballage des disques. Nous attendons six mois avant qu'un avion arrive et prenne le volant. Nous avons fini par attendre six mois pour obtenir les données du pôle Sud.

Un autre problème pratique était la météo sur chaque site. Les radiotélescopes à haute fréquence, comme ceux utilisés dans le projet EHT, sont extrêmement sensibles à l'eau présente dans l'atmosphère et nécessitent un ciel clair pour fonctionner efficacement. C'est pourquoi la plupart des télescopes sont situés dans des endroits à haute altitude et à l'atmosphère très sèche, comme le désert d'Atacama au Chili ou le Mauna Kea à Hawaï. Néanmoins, l'observation nécessite du beau temps sur chaque site. « Si on veut que ça marche, il faut qu'il y ait une coïncidence de beau temps sur tous les sites. Il s’avère que cela arrive plutôt rarement.

Les conditions météorologiques n’affectent pas seulement la science, mais aussi les scientifiques. L'altitude extrême et la faible humidité posent leurs propres défis aux personnes travaillant sur les sites. « Il y a très peu de vapeur d’eau au sommet de la montagne. C'est comme un désert. Votre peau craque, vous devez mettre une protection sur vos lèvres. Et en ce qui concerne l’altitude: « Nous sommes à des altitudes allant jusqu’à 6 000 mètres. La pression atmosphérique est d'environ 60 % de celle du niveau de la mer. Vous avez le mal de l’altitude et des maux de tête. Pour s'adapter aux conditions, les scientifiques s'acclimatent en passant quelques jours à des altitudes de plus en plus élevées.

Rassembler les personnes et les organisations

L'EHT n'était qu'un des nombreux projets en compétition pour gagner du temps sur les différents télescopes. Les télescopes sont sursouscrits, ce qui signifie que plus de projets postulent pour les utiliser que ce qui est alloué, il peut donc être compétitif d'obtenir du temps sur les instruments. Essayer de rassembler les gouvernements, les organisations et les scientifiques pour qu'ils accordent du temps à l'EHT sur les différents télescopes était une « question de torsion des bras », surtout avant que le résultat historique de l’EHT ne fasse la une des journaux en 2017. 2019.

Et il y a la question de la coordination d’un grand nombre de personnes vivant dans différents pays. Les aspects pratiques liés au fait que des chercheurs vivent dans des fuseaux horaires allant de l’Asie de l’Est à Hawaï signifient qu’il est presque impossible de trouver un moment pour se réunir pour des téléconférences. Weintroub a fini par organiser deux versions de chaque réunion mondiale, juste pour que tout le monde puisse y assister sans avoir à se lever au milieu de la nuit.

Défis personnels

Il y a aussi l’aspect interpersonnel, souvent négligé, du travail scientifique collaboratif. "Le rapprochement de tous ces télescopes a été présenté comme un modèle de collaboration pour le reste du monde, mais cela a impliqué des négociations compliquées", a déclaré Weintroub. « Il y a certainement un défi lorsque la collaboration passe d’un groupe de 12 chercheurs à un groupe de plus de 250. Au sein de la collaboration, il existe une certaine concurrence et rivalité naturelle. Cela peut être un petit défi personnel.

Dans les cercles scientifiques, les contributions relatives des auteurs aux articles publiés se reflètent dans l'ordre dans lequel leurs noms sont répertoriés. Mais tenter de déterminer les contributions individuelles de chaque chercheur à un projet d’une telle envergure était pratiquement impossible. Certains membres de l’équipe travaillaient sur le projet depuis une décennie, tandis que d’autres ne l’avaient rejoint que ces dernières années. Et une pression énorme s’exerce sur les chercheurs, en particulier ceux en début de carrière, pour que leur nom figure en bonne place dans des publications importantes.

"Il y a eu beaucoup de débats autour de la paternité", a déclaré Weintroub. Au final, dans les articles issus du projet EHT, « la paternité est purement alphabétique. Après avoir participé au débat, c’était la seule façon d’y parvenir.

Un résultat remarquable

Tout ce travail et cette coordination ont abouti à un résultat vraiment remarquable: la toute première image d'un trou noir, situé dans la galaxie Messier 87. Et le projet EHT se poursuivra, avec encore plus de télescopes rejoignant le projet pour imager davantage de trous noirs avec une sensibilité encore plus grande à l'avenir.

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