How to take a picture of a black hole | Katie Bouman

Traducteur: Younes Amraoui Relecteur: Claire Ghyselen

In the movie "Interstellar,"

Dans le film « Interstellar »,

we get an up-close look at a supermassive black hole.

nous voyons de très près un trou noir supermassif.

Set against a backdrop of bright gas,

Sur un fond de gaz vif,

the black hole's massive gravitational pull

la force gravitationnelle massive du trou noir

bends light into a ring.

courbe la lumière en un cercle.

However, this isn't a real photograph,

Ce n'est cependant pas une vraie photo,

but a computer graphic rendering --

mais un rendu graphique par ordinateur —

an artistic interpretation of what a black hole might look like.

une interprétation artistique d'un trou noir.

A hundred years ago,

Il y a 100 ans,

Albert Einstein first published his theory of general relativity.

Albert Einstein a publié sa théorie de la relativité générale.

In the years since then,

Au cours des années suivantes,

scientists have provided a lot of evidence in support of it.

beaucoup de preuves qui appuient cette théorie ont été fournies.

But one thing predicted from this theory, black holes,

Mais les trous noirs, un élément prédit dans cette théorie,

still have not been directly observed.

n'ont toujours pas été observés directement.

Même si nous avons une idée de ce à quoi un trou noir ressemble,

Although we have some idea as to what a black hole might look like,

we've never actually taken a picture of one before.

nous n'en avons jamais photographié.

However, you might be surprised to know that that may soon change.

Toutefois, vous serez surpris d'apprendre que ça pourrait bientôt changer.

We may be seeing our first picture of a black hole in the next couple years.

Nous verrons peut-être la première photo d'un trou noir d'ici quelques années.

Getting this first picture will come down to an international team of scientists,

Prendre cette première photo dépendra d'une équipe scientifique internationale,

an Earth-sized telescope

d'un télescope de la taille de la Terre,

and an algorithm that puts together the final picture.

et d'un algorithme qui assemble l'image finale.

Bien que je ne puisse pas vous montrer une vraie image d'un trou noir,

Although I won't be able to show you a real picture of a black hole today,

I'd like to give you a brief glimpse into the effort involved

j'aimerais vous esquisser un aperçu de l'effort nécessaire

in getting that first picture.

pour prendre cette photo.

My name is Katie Bouman,

Je m'appelle Katie Bouman,

and I'm a PhD student at MIT.

et je suis doctorante au MIT.

I do research in a computer science lab

Je fais de la recherche dans un labo informatique

that works on making computers see through images and video.

dédié à l'interprétation d'images et vidéos par les ordinateurs.

But although I'm not an astronomer,

Bien que je ne sois pas une astronome,

j'aimerais vous montrer

today I'd like to show you

how I've been able to contribute to this exciting project.

comment j'ai pu contribuer à ce projet fascinant.

If you go out past the bright city lights tonight,

Si vous vous éloignez des vives lumières de la ville,

vous aurez peut-être la chance de voir une vue spectaculaire

you may just be lucky enough to see a stunning view

of the Milky Way Galaxy.

de la Voie Lactée.

Si vous pouviez zoomer sur les millions d'étoiles,

And if you could zoom past millions of stars,

26,000 light-years toward the heart of the spiraling Milky Way,

26 000 années-lumière vers le cœur de la spirale de la Voie Lactée,

we'd eventually reach a cluster of stars right at the center.

nous atteindrions un amas d'étoiles au centre.

Peering past all the galactic dust with infrared telescopes,

Scrutant au-delà de la poussière galactique avec des télescopes infrarouges,

astronomers have watched these stars for over 16 years.

les astronomes observent ces étoiles depuis plus de 16 ans.

Mais c'est ce qu'ils ne voient pas qui est le plus spectaculaire.

But it's what they don't see that is the most spectacular.

These stars seem to orbit an invisible object.

Ces étoiles ont l'air de graviter autour d'un objet invisible.

By tracking the paths of these stars,

En suivant les parcours de ces étoiles,

les astronomes ont conclu

astronomers have concluded

that the only thing small and heavy enough to cause this motion

que la seule chose suffisamment petite et lourde pour causer ce mouvement

is a supermassive black hole --

est un trou noir supermassif —

an object so dense that it sucks up anything that ventures too close --

un objet si dense qu'il aspire tout ce qui s'aventure trop près —

even light.

même la lumière.

But what happens if we were to zoom in even further?

Que se passe-t-il si nous nous approchons encore plus près ?

Is it possible to see something that, by definition, is impossible to see?

Est-ce possible de voir quelque chose qui, par définition, est impossible à voir ?

Well, it turns out that if we were to zoom in at radio wavelengths,

Il s'avère que si nous faisions un zoom des ondes radio,

we'd expect to see a ring of light

nous devrions voir un cercle de lumière

caused by the gravitational lensing of hot plasma

causé par une lentille gravitationnelle du plasma chaud

zipping around the black hole.

se déplaçant autour du trou noir.

In other words,

En d'autres mots,

le trou noir jette une ombre sur ce fond de matière lumineuse,

the black hole casts a shadow on this backdrop of bright material,

carving out a sphere of darkness.

creusant une sphère d'obscurité.

This bright ring reveals the black hole's event horizon,

Ce cercle lumineux révèle l'horizon des événements du trou noir,

where the gravitational pull becomes so great

où la force gravitationnelle devient si puissante

que même la lumière ne peut pas s'en échapper.

that not even light can escape.

Einstein's equations predict the size and shape of this ring,

Les équations d'Einstein prédisent la taille et la forme de ce cercle.

so taking a picture of it wouldn't only be really cool,

En prendre la photo serait génial,

it would also help to verify that these equations hold

et pourrait aussi aider à vérifier la teneur de ces équations

in the extreme conditions around the black hole.

dans les conditions extrêmes autour du trou noir.

However, this black hole is so far away from us,

Toutefois, ce trou noir est si loin de nous

that from Earth, this ring appears incredibly small --

que depuis la Terre, ce cercle apparaît incroyablement petit —

the same size to us as an orange on the surface of the moon.

de la même taille qu'une orange sur la surface de la Lune.

That makes taking a picture of it extremely difficult.

Sa distance rend sa prise en photo extrêmement difficile.

Why is that?

Pourquoi ça ?

Well, it all comes down to a simple equation.

Tout cela ne dépend que d'une simple équation.

Due to a phenomenon called diffraction,

En raison d'un phénomène appelé la diffraction,

il existe des limites fondamentales

there are fundamental limits

to the smallest objects that we can possibly see.

aux plus petits objets que nous sommes en mesure de voir.

This governing equation says that in order to see smaller and smaller,

L'équation principale dit qu'afin de voir de plus en plus petit,

we need to make our telescope bigger and bigger.

nous devons fabriquer un télescope de plus en plus grand.

Mais même avec les télescopes optiques les plus puissants sur Terre,

But even with the most powerful optical telescopes here on Earth,

we can't even get close to the resolution necessary

nous sommes encore si loin de la résolution nécessaire

to image on the surface of the moon.

afin d'imager la surface de la Lune.

In fact, here I show one of the highest resolution images ever taken

Voici l'une des images à plus haute résolution qui a été prise

of the moon from Earth.

de la Lune à partir de la Terre.

It contains roughly 13,000 pixels,

Elle contient à peu près 13 000 pixels,

and yet each pixel would contain over 1.5 million oranges.

et pourtant, chaque pixel contiendrait plus d'un million et demi d'oranges.

So how big of a telescope do we need

Quelle taille notre télescope devrait-il avoir

in order to see an orange on the surface of the moon

pour voir une orange sur la surface de la Lune,

and, by extension, our black hole?

et par extension, notre trou noir ?

Well, it turns out that by crunching the numbers,

Il s'avère qu'en faisant des calculs,

you can easily calculate that we would need a telescope

on peut déterminer qu'un télescope de la taille de la Terre entière

the size of the entire Earth.

serait nécessaire.

(Laughter)

(Rires)

If we could build this Earth-sized telescope,

Si nous pouvions construire un tel télescope,

nous pourrions commencer à distinguer ce cercle de lumière

we could just start to make out that distinctive ring of light

indicative of the black hole's event horizon.

indiquant l'horizon des événements du trou noir.

Although this picture wouldn't contain all the detail we see

Tous les détails que nous voyons dans un rendu par ordinateur

ne seront pas visibles,

in computer graphic renderings,

it would allow us to safely get our first glimpse

mais nous pourrions avoir notre premier aperçu

of the immediate environment around a black hole.

de l'environnement immédiat d'un trou noir.

However, as you can imagine,

Mais comme vous pouvez l'imaginer,

la construction d'un télescope de la taille de la Terre est impossible.

building a single-dish telescope the size of the Earth is impossible.

But in the famous words of Mick Jagger,

Pour citer Mick Jagger :

"You can't always get what you want,

« On n'a pas toujours ce qu'on veux,

but if you try sometimes, you just might find

mais si on essaie, on peut s'apercevoir

you get what you need."

qu'on a reçu ce dont on a besoin. »

And by connecting telescopes from around the world,

En connectant les télescopes du monde entier,

an international collaboration called the Event Horizon Telescope

une collaboration internationale appelée l'Event Horizon Telescope

is creating a computational telescope the size of the Earth,

est en train de créer un télescope informatique de la taille de la Terre

capable of resolving structure

capable d'élucider la structure

on the scale of a black hole's event horizon.

à l'échelle de l'horizon des événements d'un trou noir.

This network of telescopes is scheduled to take its very first picture

Il est prévu que ce réseau prenne la toute première photo

of a black hole next year.

d'un trou noir l'an prochain.

Chaque télescope dans ce réseau mondial travaille ensemble.

Each telescope in the worldwide network works together.

Linked through the precise timing of atomic clocks,

Liés par la précision des horloges atomiques,

teams of researchers at each of the sites freeze light

des équipes de chercheurs figent la lumière de chaque point de vue

by collecting thousands of terabytes of data.

en collectant des milliers de téraoctets d'informations.

This data is then processed in a lab right here in Massachusetts.

Cette information est alors traitée ici, dans un laboratoire du Massachusetts.

So how does this even work?

Alors comment ça marche ?

Remember if we want to see the black hole in the center of our galaxy,

Si nous voulons apercevoir le trou noir au centre de notre galaxie,

we need to build this impossibly large Earth-sized telescope?

nous devons construire un télescope impossiblement grand.

For just a second, let's pretend we could build

Prétendons un instant que nous pouvons construire

a telescope the size of the Earth.

un télescope de la taille de la Terre.

This would be a little bit like turning the Earth

Ce serait un peu comme transformer la Terre

into a giant spinning disco ball.

en une boule disco géante.

Each individual mirror would collect light

Chaque miroir collecterait la lumière

that we could then combine together to make a picture.

que nous assemblerions ensuite pour fabriquer une image.

However, now let's say we remove most of those mirrors

Prétendons que nous retirons la plupart de ces miroirs

afin qu'il n'en reste que quelques-uns.

so only a few remained.

Nous pourrions toujours essayer d'assembler cette information

We could still try to combine this information together,

mais maintenant, il y a beaucoup de trous.

but now there are a lot of holes.

Ces miroirs restants représentent les endroits où nous avons des télescopes.

These remaining mirrors represent the locations where we have telescopes.

This is an incredibly small number of measurements to make a picture from.

C'est un nombre de mesures vraiment petit pour pouvoir en faire une photo.

But although we only collect light at a few telescope locations,

Bien que nous ne collections la lumière qu'en certains endroits,

as the Earth rotates, we get to see other new measurements.

la Terre tourne et nous pouvons obtenir d'autres nouvelles mesures.

In other words, as the disco ball spins, those mirrors change locations

En d'autres mots, quand la boule disco tourne, ces miroirs changent de place

and we get to observe different parts of the image.

et nous pouvons observer différentes parties de l'image.

The imaging algorithms we develop fill in the missing gaps of the disco ball

Des algorithmes de traitement d'image comblent les lacunes de la boule disco

in order to reconstruct the underlying black hole image.

afin de reconstruire l'image sous-jacente du trou noir.

If we had telescopes located everywhere on the globe --

Si nous avions des télescopes partout dans le monde —

in other words, the entire disco ball --

ou bien la boule disco dans sa totalité —

this would be trivial.

cette recherche serait futile.

However, we only see a few samples, and for that reason,

Mais nous n'obtenons que quelques échantillons, et pour cette raison,

there are an infinite number of possible images

il existe un nombre infini d'images possibles

that are perfectly consistent with our telescope measurements.

tout à fait cohérentes avec les mesures du télescope.

However, not all images are created equal.

Cependant, ces images ne sont pas toutes égales.

Some of those images look more like what we think of as images than others.

Certaines ressemblent plus à l'idée que nous avons des images que d'autres.

And so, my role in helping to take the first image of a black hole

En aidant à prendre la première photo d'un trou noir,

mon rôle est de créer des algorithmes qui trouvent l'image la plus raisonnable

is to design algorithms that find the most reasonable image

that also fits the telescope measurements.

qui corresponde aussi aux mesures du télescope.

Just as a forensic sketch artist uses limited descriptions

Tout comme un portraitiste judiciaire utilise des descriptions limitées

to piece together a picture using their knowledge of face structure,

pour composer une image à l'aide de son savoir en structure faciale,

the imaging algorithms I develop use our limited telescope data

mes algorithmes utilisent notre information télescopique limitée

to guide us to a picture that also looks like stuff in our universe.

pour nous guider vers une image qui ressemble à ce qu'il y a dans l'univers.

Using these algorithms, we're able to piece together pictures

À l'aide de ces algorithmes, nous pouvons assembler des images

from this sparse, noisy data.

à partir de cette information bruyante et rare.

So here I show a sample reconstruction done using simulated data,

Voici un exemple d'une reconstruction faite avec de l'information simulée

when we pretend to point our telescopes

quand nous prétendons diriger nos télescopes

to the black hole in the center of our galaxy.

vers le trou noir au centre de notre galaxie.

Although this is just a simulation, reconstruction such as this give us hope

Bien que ce ne soit qu'une simulation, une telle reconstruction donne l'espoir

that we'll soon be able to reliably take the first image of a black hole

qu'il sera bientôt possible de prendre la première vraie image d'un trou noir

and from it, determine the size of its ring.

à partir de laquelle nous pourrons déterminer son diamètre.

Bien que j'adorerais continuer à parler des détails de l'algorithme,

Although I'd love to go on about all the details of this algorithm,

luckily for you, I don't have the time.

heureusement pour vous, je n'ai pas le temps.

But I'd still like to give you a brief idea

J'aimerais quand même vous donner une idée

of how we define what our universe looks like,

comment nous déterminons à quoi notre univers ressemble

and how we use this to reconstruct and verify our results.

et comment nous utilisons ça pour reconstruire et vérifier nos résultats.

Since there are an infinite number of possible images

Comme il existe un nombre infini d'images possibles

that perfectly explain our telescope measurements,

qui explique parfaitement les mesures des télescopes,

we have to choose between them in some way.

nous devons choisir entre elles en quelque sorte.

We do this by ranking the images

Ce choix est fait en classant les images

based upon how likely they are to be the black hole image,

suivant la probabilité qu'elles soient l'image du trou noir,

and then choosing the one that's most likely.

puis en choisissant celle qui semble la plus probable.

Qu'est-ce que je veux dire exactement ?

So what do I mean by this exactly?

Let's say we were trying to make a model

Disons que nous essayons de créer un modèle

that told us how likely an image were to appear on Facebook.

qui nous donne la probabilité d'apparition d'une image sur Facebook.

Nous voudrions que le modèle dise

We'd probably want the model to say

it's pretty unlikely that someone would post this noise image on the left,

qu'il est peu probable que quelqu'un poste cette image confuse à gauche,

and pretty likely that someone would post a selfie

et plutôt probable que quelqu'un poste un selfie,

like this one on the right.

comme celle de droite.

L'image du milieu est floue,

The image in the middle is blurry,

so even though it's more likely we'd see it on Facebook

et bien qu'il soit plus probable de la voir sur Facebook

compared to the noise image,

comparée à l'image brouillée,

it's probably less likely we'd see it compared to the selfie.

il est peu probable que nous la voyions comparée au selfie.

But when it comes to images from the black hole,

Mais quand il s'agit des images du trou noir,

nous faisons face à un vrai dilemme : nous n'avons jamais vu de trou noir.

we're posed with a real conundrum: we've never seen a black hole before.

In that case, what is a likely black hole image,

A quoi doit ressembler une image d'un trou noir

et que devrions-nous supposer de la structure de ceux-ci ?

and what should we assume about the structure of black holes?

We could try to use images from simulations we've done,

Nous pourrions utiliser des images de simulations précédentes,

like the image of the black hole from "Interstellar,"

comme celle du trou noir d'« Interstellar »,

but if we did this, it could cause some serious problems.

ce qui pourrait causer de sérieux problèmes.

Que se passerait-il si les théories d'Einstein s'avéraient fausses ?

What would happen if Einstein's theories didn't hold?

We'd still want to reconstruct an accurate picture of what was going on.

Nous voudrions quand même reconstruire une image fidèle de ce qui se passe.

If we bake Einstein's equations too much into our algorithms,

Si nos algorithmes s'appuient trop sur les équations d'Einstein,

we'll just end up seeing what we expect to see.

nous ne finirons que par voir ce que nous espérons voir.

In other words, we want to leave the option open

Nous voulons laisser la porte ouverte

à la présence d'un éléphant géant au centre de notre galaxie.

for there being a giant elephant at the center of our galaxy.

(Laughter)

(Rires)

Des types différents d'images ont des traits très particuliers.

Different types of images have very distinct features.

On peut facilement faire la différence entre les images simulées d'un trou noir

We can easily tell the difference between black hole simulation images

and images we take every day here on Earth.

et celles que nous prenons tous les jours sur Terre.

We need a way to tell our algorithms what images look like

Il nous faut une façon de dire à nos algorithmes

à quoi les images ressemblent

without imposing one type of image's features too much.

sans trop imposer un type de caractéristique d'image.

One way we can try to get around this

Nous pourrions contourner ce problème

is by imposing the features of different kinds of images

en imposant les caractéristiques de différents types d'images

and seeing how the type of image we assume affects our reconstructions.

et voir comment ces genres d'images influencent nos reconstructions.

If all images' types produce a very similar-looking image,

Si tous les types d'images produisent une image très similaire,

then we can start to become more confident

nous pouvons donc gagner confiance sur le fait

that the image assumptions we're making are not biasing this picture that much.

que nos hypothèses ne biaisent pas tellement la photo.

This is a little bit like giving the same description

C'est un peu comme donner la même description

to three different sketch artists from all around the world.

à trois dessinateurs autour du monde.

If they all produce a very similar-looking face,

S'ils produisent un visage très similaire,

then we can start to become confident

nous pouvons alors être certains

that they're not imposing their own cultural biases on the drawings.

qu'ils n'imposent pas leur propre subjectivité culturelle aux dessins.

One way we can try to impose different image features

Un moyen pour imposer des caractéristiques d'image différentes

is by using pieces of existing images.

est d'utiliser des morceaux d'images existantes.

So we take a large collection of images,

Nous prenons une grande collection d'images,

and we break them down into their little image patches.

et nous les découpons en petits morceaux.

Nous pouvons alors traiter chaque morceau comme les pièces d'un puzzle.

We then can treat each image patch a little bit like pieces of a puzzle.

And we use commonly seen puzzle pieces to piece together an image

Nous utilisons ces pièces de puzzle pour assembler une image

that also fits our telescope measurements.

qui correspond aussi avec les mesures des télescopes.

Différents types d'images ont des lots propres de pièces de puzzle.

Different types of images have very distinctive sets of puzzle pieces.

So what happens when we take the same data

Ce qui se produit quand on prend les mêmes données

but we use different sets of puzzle pieces to reconstruct the image?

mais qu'on utilise différents lots de pièces pour reconstruire l'image ?

Let's first start with black hole image simulation puzzle pieces.

Commençons par des pièces de puzzle d'image de simulation du trou noir.

OK, this looks reasonable.

OK. Cela semble raisonnable.

This looks like what we expect a black hole to look like.

Ceci ressemble à ce qu'on attend d'un trou noir.

But did we just get it

Mais ne l'avons-nous pas obtenu

because we just fed it little pieces of black hole simulation images?

car nous avons nourri la machine de petits morceaux de notre simulation ?

Let's try another set of puzzle pieces

Essayons un autre lot de puzzle

from astronomical, non-black hole objects.

à partir des objets astronomiques, non du trou noir.

OK, we get a similar-looking image.

D'accord, on obtient une image similaire.

Ensuite, testons les pièces d'images quotidiennes

And then how about pieces from everyday images,

like the images you take with your own personal camera?

comme les images que vous prenez avec votre appareil photo.

Great, we see the same image.

Génial, nous voyons la même image.

When we get the same image from all different sets of puzzle pieces,

Quand on obtient la même image avec tous les différents lots de puzzle,

then we can start to become more confident

alors on peut commencer à être plus sûr

that the image assumptions we're making

que nos hypothèses d'image

aren't biasing the final image we get too much.

ne biaisent pas trop l'image finale obtenue.

Another thing we can do is take the same set of puzzle pieces,

On peut aussi prendre les mêmes lots de pièces de puzzle,

tel que ceux dérivés d'images quotidiennes,

such as the ones derived from everyday images,

and use them to reconstruct many different kinds of source images.

et les utiliser pour reconstruire beaucoup de différents types d'image source.

So in our simulations,

Ainsi dans nos simulations,

we pretend a black hole looks like astronomical non-black hole objects,

nous prétendons qu'un trou noir ressemble à des objets non-trou noir,

as well as everyday images like the elephant in the center of our galaxy.

ou à nos images quotidiennes comme l'éléphant au cœur de notre galaxie.

When the results of our algorithms on the bottom look very similar

Quand le résultat de nos algorithmes, en bas,

ressemble à l'image témoin de la simulation en haut,

to the simulation's truth image on top,

then we can start to become more confident in our algorithms.

nos algorithmes commencent à nous convaincre.

And I really want to emphasize here

Je tiens vraiment à souligner ici que tous ces images ont été créées

that all of these pictures were created

by piecing together little pieces of everyday photographs,

en accolant des petits morceaux de photos quotidiennes,

like you'd take with your own personal camera.

comme celles que vous auriez pu prendre.

So an image of a black hole we've never seen before

Donc une image d'un trou noir qu'on a jamais vu précédemment

may eventually be created by piecing together pictures we see all the time

peut être finalement être créée par l'assemblage de photos quotidiennes

of people, buildings, trees, cats and dogs.

de personnes, de bâtiments, d'arbres, de chats et de chiens.

Imaging ideas like this will make it possible for us

Imaginer de telles idées nous permet

to take our very first pictures of a black hole,

de prendre nos tout premières photos d'un trou noir,

and hopefully, verify those famous theories

et avec optimisme de vérifier ces théories célèbres

on which scientists rely on a daily basis.

sur lesquelles les scientifiques se basent tous les jours.

But of course, getting imaging ideas like this working

Mais bien sûr, la concrétisation d'idées pareilles

would never have been possible without the amazing team of researchers

n'aurait pas été possible sans l'équipe incroyable de chercheurs

avec qui j'ai le privilège de travailler.

that I have the privilege to work with.

Cela m'étonne encore

It still amazes me

that although I began this project with no background in astrophysics,

qu'en dépit de mes lacunes en astrophysique,

what we have achieved through this unique collaboration

ce qu'on a pu accomplir grâce à cette collaboration unique

could result in the very first images of a black hole.

puisse mener aux premières photos d'un trou noir.

Les grand projets comme l'Event Télescope Horizon

But big projects like the Event Horizon Telescope

are successful due to all the interdisciplinary expertise

réussissent grâce à toutes l'expertise interdisciplinaire

different people bring to the table.

que différentes personnes apportent.

We're a melting pot of astronomers,

On est un creuset d’astronomes,

physicists, mathematicians and engineers.

de physiciens, de mathématiciens et d'ingénieurs.

This is what will make it soon possible

C'est ce qui rendra bientôt possible

la réalisation d'une chose que l'on pensait impossible.

to achieve something once thought impossible.

I'd like to encourage all of you to go out

J'aimerais vous encourager à lever la main

et aider à repousser les limites de la science,

and help push the boundaries of science,

even if it may at first seem as mysterious to you as a black hole.

même si cela peut vous sembler aussi mystérieux qu'un trou noir.

Thank you.

Merci.

(Applause)

(Applaudissements)