Les astronomes repèrent l’étoile la plus proche et la plus rapide jamais vue en orbite autour du trou noir monstrueux de notre galaxie

Les astronomes ont découvert l’étoile la plus proche et la plus rapide jamais vue en orbite autour du Sagittaire A* (Sgr A*), le trou noir de 4,3 millions de masse solaire au cœur de notre galaxie. L’étoile faible, nommée S301, effectue un tour tous les 8,7 ans et survole le trou noir à environ 55 millions de mph (90 millions de km/h), soit environ 8 % de la vitesse de la lumière. Son orbite est si étroite que d’ici une décennie environ, les chercheurs devraient pouvoir mesurer sa vitesse de rotation. La découverte a été rapportée le 19 août dans la revue Nature.

Des étoiles comme des lanternes dans un espace déformé

Le centre du Voie lactéeà quelque 27 000 années-lumière, est l’un des meilleurs laboratoires naturels dont disposent les physiciens. Quelques dizaines d’étoiles envahissent le trou noir central de la galaxie sur des orbites étroites, et comme la gravité y est bien plus forte que partout ailleurs que nous pouvons observer de près, ces étoiles se comportent d’une manière qu’Isaac Newton n’avait jamais anticipée.

« Les étoiles en orbite autour de Sgr A* sont des objets très intéressants, car elles servent de sondes lumineuses de l’espace-temps incurvé autour du trou noir », co-auteur de l’étude Félix Mangdoctorant à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre en Allemagne, a déclaré à Live Science par e-mail.

Jusqu’à présent, l’étoile effectuant la majeure partie de ce travail était S2, une étoile brillante sur une orbite de 16 ans. Les astronomes ont suivi S2 depuis 1992, sur plus de deux tours complets, et ce suivi a révélé deux prédictions marquantes de la théorie de l’interaction générale d’Einstein. relativité: la lumière de l’étoile perd de l’énergie à mesure qu’elle sort du puits de gravité du trou noir et la lente rotation de son orbite elliptique, connue sous le nom de précession de Schwarzschild.

Ces effets dépendent uniquement de la masse du trou noir. Mais les trous noirs ont une deuxième propriété : la rotation. Un trou noir en rotation entraîne avec lui le tissu de l’espace, comme une cuillère remuant du miel. Cet effet s’estompe extrêmement rapidement avec la distance, donc mesurer la rotation nécessite une étoile qui plonge beaucoup plus près du trou noir que S2 ne le fait jamais.

Les mesures des rotations des trous noirs sont également importantes au-delà de la physique des trous noirs. Une alternative majeure à la relativité générale « postule l’existence d’une cinquième force fondamentale qui découle, par exemple, de l’unification de la gravité et de la physique quantique », a déclaré Mang.

Tout écart par rapport aux prédictions d’Einstein devrait apparaître sur ces orbites stellaires. Jusqu’à présent, dit-il, « seule une limite supérieure a pu être dérivée, qui diminue progressivement » – en d’autres termes, il n’y a pas encore de fissures dans la théorie d’Einstein, mais les tests continuent de se resserrer.

Une orbite record

C’est là qu’intervient S301. Dans les images capturées par l’instrument GRAVITY du Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral au Chili, les astronomes « ont découvert une nouvelle étoile très faible dans le centre galactique qui orbite si près du trou noir massif central Sgr A* que son orbite est sensible à la rotation du trou noir », a déclaré Mang.

L’étoile est apparue pour la première fois au printemps 2023 sous la forme d’une légère tache au nord-ouest du trou noir. Une fois que l’équipe a eu une orbite approximative, elle a revu les observations d’archives et l’a retrouvée dans les données de 2021 et 2017. Au total, 19 positions mesurées sur huit ans tracent une ellipse complète et fermée dans le ciel.

L’orbite est extrême à tous points de vue. S301 met 8,7 ans pour orbiter autour du trou noir, battant le précédent détenteur du record – une étoile sur une orbite de 12 ans – et la trajectoire de S301 s’étire en une ellipse fine comme une aiguille. À son approche la plus proche, il passe à environ 12 unités astronomiques du trou noir – 12 fois la distance entre la Terre et le soleil – et environ 10 fois plus près que S2 ne l’a jamais été.

Même à cette distance, le S301 est en sécurité. Il semble qu’il s’agisse d’une étoile ordinaire de la séquence principale d’environ 1,5 masse solaire – suffisamment compacte pour que les marées du trou noir ne puissent pas la déchirer. Son orbite extrêmement allongée suggère une origine violente ; l’équipe a proposé que S301 était probablement autrefois la moitié d’une étoile double serrée qui s’est approchée trop près, a été déchirée en deux et a vu son partenaire projeté hors de la galaxie en tant qu’étoile à hypervitesse.

L’orbite étroite montre déjà que la relativité est à l’œuvre. « Nous avons constaté que l’orbite de S301 succombe à de forts effets de relativisme général, car la précession dite de Schwarzschild – la rotation de l’ellipse orbitale dans son propre plan – est très apparente », a déclaré Mang. L’ellipse oscille d’environ 2 degrés à chaque tour. « D’ici dix ans », a-t-il ajouté, « une mesure du spin de Sgr A* avec S301 sera à notre portée. »

La partie la plus difficile et la suite

Trouver S301 était en soi un exploit. Depuis la Terre, l’étoile apparaît environ 2 milliards de fois plus faible que Bételgeuse – l’une des étoiles les plus brillantes de notre ciel – et elle se trouve dans un champ bondé à côté de voisins bien plus brillants, ce qui en fait l’équivalent d’observation de la détection d’une seule mouche bourdonnant au-dessus d’un orchestre complet. Il a fallu une nouvelle méthode de reconstruction d’image, ainsi que la récente mise à niveau de GRAVITY vers GRAVITY+, qui a augmenté sa sensibilité d’un facteur de 10 à 100, pour extraire le signal.

Il manque encore une pièce : l’équipe peut voir comment S301 se déplace dans le ciel, mais pas vers ou loin de nous, ce qui laisse deux orbites en image miroir également cohérentes avec les données.

Ils envisagent désormais de combler cette lacune. « Nous continuerons à suivre de près S301 le long de son orbite », a déclaré Mang, à la fois avec GRAVITY et un prochain instrument qui mesurera la manière dont la lumière de l’étoile se déplace vers l’extrémité rouge ou bleue du spectre à mesure qu’elle s’éloigne ou se rapproche de la Terre.

Les simulations réalisées par l’équipe suggèrent qu’une décennie de telles observations combinées pourrait permettre de cerner suffisamment bien la rotation du trou noir pour distinguer avec une grande confiance un trou noir en rotation rapide d’un trou noir stationnaire. Statistiquement, S301 ne devrait pas être seul ; environ 100 étoiles similaires peuvent se cacher sur des orbites comparables, mais la plupart d’entre elles sont trop faibles pour être vues aujourd’hui.

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