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| À l'observatoire de Cerro Paranal, dans le désert d'Atacama, au Chili, les astronautes ont utilisé l'interféromètre VLTI, dont la résolution spatiale est 15 fois supérieure à celle d'un télescope de 8 mètres. © N. Schafer/ESO |
Une équipe internationale d’astronomes a découvert l’étoile la plus rapide de la Voie lactée. Baptisée S301, elle orbite à la vitesse record de 25 000 kilomètres par seconde autour du trou noir supermassif Sagittarius A* (Sgr A*), situé au cœur de notre galaxie. Elle s’en approche si près, à une distance équivalant à celle qui sépare Saturne du Soleil, qu’elle subit les effets de la rotation de ce trou noir de 4,3 millions de masses solaires. Les scientifiques publient leur étude dans la prestigieuse revue Nature.
En apparence, S301 est une étoile banale, mais en fait elle bat tous les records. Ce qui la rend exceptionnelle, c’est notamment son orbite : la plus courte jamais mesurée autour du centre galactique. En effet, « une douzaine d’étoiles composent l’amas en orbite autour de Sgr A* », explique Jean- Pierre Luminet, le célèbre astrophysicien, directeur de recherche au CNRS, spécialiste mondial des trous noirs.
« Ces étoiles, désignées par la lettre S, sont tellement proches du trou noir central qu’elles tournent autour de lui en seulement quelques années. La plus rapide jusqu’ici connue, S62, effectue un tour complet en 9,9 ans, et passe à seulement 2 milliards de kilomètres de Sgr A*. Ce ”record” vient d’être battu avec la découverte de l’étoile S301, d’une période de 8,7 ans sur une trajectoire très elliptique qui la rapproche de Sgr A* à 1,8 milliard de kilomètres. »
Le suivi de cette étoile permettra de tester la théorie de la relativité générale
En raison de cette proximité avec Sgr A*, S301 est la première étoile connue qui pourrait permettre de mesurer directement la rotation d’un trou noir. Celui-ci est une condensation extrême de matière et d’énergie qui n’émet pas de lumière et absorbe la matière de façon irréversible…
À l’instar de tous les astres, les trous noirs tournent sur eux-mêmes. « Dans le voisinage du trou noir, précise Jean-Pierre Luminet, l’espace-temps est irrésistiblement entraîné dans la ronde, dans un mouvement de tourbillon évoquant un maelström. Cet effet théorique, dit de Lense-Thirring, est mesurable. Il s’agit là d’un des tests fondamentaux de la théorie de la relativité générale. Dès 1916, Einstein avait montré que pour une planète orbitant autour du Soleil, du fait de la déformation de l’espace sous l’effet de la gravitation, le grand axe de son orbite elliptique doit tourner lentement au cours du temps. » Le suivi de cette étoile permettra de tester la théorie de la relativité générale car la rotation du trou noir influence les orbites des étoiles et des autres objets environnants.
Les étoiles orbitant à proximité de Sgr A* constituent ainsi un très bon moyen pour étudier sa rotation. « Les diverses mesures effectuées sur les orbites d’étoiles gravitant autour du trou noir galactique Sgr A*, développe Jean-Pierre Luminet, permettent de vérifier la théorie en champ gravitationnel fort : accélération orbitale, décalage spectral gravitationnel vers le rouge et précessions relativistes (les déplacements de l’orientation de l’orbite ou de l’axe de rotation d’un astre causés par la courbure de l’espace-temps – NDLR). Tous ces effets sont de plus grande amplitude avec S301 : leur mesure précise constituera donc un test décisif de la théorie d’Einstein – lequel, pourtant, n’a jamais cru à l’existence des trous noirs ! »
La puissance exceptionnelle du VLTI réside dans sa capacité à combiner la lumière de quatre télescopes
S’il est très difficile d’identifier de telles étoiles à proximité du trou noir et de mesurer leurs mouvements, c’est en raison de la résolution limitée des télescopes terrestres. Pour détecter S301, les astronomes ont dû utiliser l’interféromètre, l’instrument optique de mesure de très haute précision du Very Large Telescope Interferometer (VLTI) de l’Observatoire européen austral (ESO), une installation située à l’observatoire de Paranal, au Chili, ainsi que son instrument Gravity, récemment modernisé sous le nom de Gravity+.
La puissance exceptionnelle du VLTI réside dans sa capacité à combiner la lumière de quatre télescopes de 8 mètres pour créer un télescope « virtuel » dont la résolution spatiale est 15 fois supérieure à celle d’un seul. Grâce à Gravity, puis à Gravity+, l’équipe a pu détecter S301 au printemps 2023 et la suivre pour déterminer son orbite. Elle a réussi à retracer son histoire orbitale jusqu’en 2017 et découvrir ainsi que son dernier passage au plus près de Sgr A* remontait au début de l’année 2023.
Les observations à venir, durant la prochaine décennie, seront décisives pour suivre la trajectoire de S301, surtout qu’elle effectuera son prochain passage au plus près de Sgr A* en 2031. L’analyse d’au moins deux orbites complètes de S301 permettra alors de préciser son parcours et donc de déterminer directement la rotation de Sagittarius A*. Il faut patienter encore au moins cinq ans, mais d’ici à 2031, S301 ne risque-t-elle pas d’être engloutie par le gigantesque trou noir central ? « Absolument pas, du moins sur son orbite actuelle, réagit Jean-Pierre Luminet, le rayon de l’horizon des événements de Sgr A* – distance en dessous de laquelle tout corps est englouti, même la lumière – est de 12 millions de km. Or, S301 ne s’approche pas plus près que 140 fois cette distance critique ! »
Soit, mais alors, l’étoile ne risque-t-elle pas d’être disloquée par les forces de marée du trou noir, un phénomène étudié par Jean-Pierre Luminet dans les années 1980 ? « Le rayon critique de dislocation, dit ”rayon de marée”, nous répond l’astrophysicien, dépend de la masse du trou noir et de la densité moyenne de l’étoile qui subit la marée gravitationnelle. Pour le trou noir galactique Sgr A* et une étoile ordinaire de type solaire, il est seulement de 150 millions de kilomètres – soit la distance Terre-Soleil. Aucune étoile actuellement connue ne s’approche aussi près de Sgr A* pour être ainsi détruite. Dommage d’ailleurs, car nous en contemplerions les effets spectaculaires. Cela a déjà été observé au sein de galaxies très lointaines, tandis qu’avec Sgr A* nous serions au premier rang du spectacle ! »
Anna Musso
L'Humanité du 07 septembre 26
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