Des astronomes ont identifié l’étoile la plus rapide de la Voie lactée connue à ce jour orbitant autour de Sagittarius A*, le trou noir supermassif en son centre. Située à une distance équivalente à 12 fois la distance Soleil-Terre, elle est si proche du trou noir qu’elle subit directement les effets de la rotation de celui-ci. L’étude de cette étoile pourrait ainsi permettre de mieux caractériser les propriétés fondamentales de Sagittarius A*.
À l’instar de tous les objets de l’Univers, les trous noirs peuvent être en rotation ; leur moment cinétique est notamment lié à celui de la matière dont ils se sont formés et qu’ils ont accrétée. D’après la théorie de la relativité générale d’Einstein, cette rotation entraîne l’espace-temps qui l’entoure dans sa rotation et le déforme. Cet entraînement de l’espace-temps, associé à la rotation du trou noir, est appelé effet Lense-Thirring. Il influence, à son tour, les orbites des étoiles et des autres objets environnants, notamment en provoquant une précession orbitale.
L’effet est d’autant plus marqué lorsque les étoiles se trouvent à proximité des trous noirs. Les étoiles orbitant à proximité de Sagittarius A* constitueraient donc les meilleurs moyens pour étudier sa rotation. L’identification de ces étoiles et la mesure de leurs mouvements demeurent cependant complexes, en raison notamment de la résolution limitée de nos télescopes et de leur position par rapport à la Terre.
Un groupe d’astronomes est néanmoins parvenu à identifier une étoile, baptisée S301, située si près de Sagittarius A* que son mouvement orbital est suffisamment sensible aux effets de sa rotation. « Des décennies d’observation attentive des étoiles orbitant autour du trou noir central de notre galaxie, Sagittarius A*, ont permis cette découverte capitale d’une étoile très prometteuse », explique dans un communiqué de l’Observatoire européen austral (ESO), Reinhard Genzel, lauréat du prix Nobel, directeur de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE), et membre fondateur de la collaboration à l’origine de ces nouvelles observations.
« Du fait de sa proximité avec Sagittarius A*, S301 ouvre une nouvelle fenêtre sur les propriétés fondamentales de l’espace-temps dans cet environnement extrême de trou noir », indique-t-il.
Illustration de l’effet Lense-Thirring. © ESO
Une vitesse de 25 000 kilomètres par seconde
L’identification de S301 était particulièrement difficile, l’étoile étant environ deux milliards de fois moins brillante que Bételgeuse, la géante rouge de la constellation d’Orion. Pour la repérer, l’équipe de Genzel a utilisé le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) de l’observatoire de Paranal de l’ESO, au Chili, ainsi que son instrument GRAVITY+, récemment modernisé.
Le VLTI combine la lumière de quatre télescopes de 8 mètres pour obtenir une résolution angulaire jusqu’à 15 fois supérieure à celle d’un seul télescope. « À l’échelle mondiale, Paranal est le seul endroit où l’on peut effectuer ce type d’observations, car aucun autre observatoire au monde ne possède quatre télescopes de 8 mètres pouvant fonctionner ensemble comme un interféromètre », explique Frank Eisenhauer, co-auteur de l’étude, chercheur principal de GRAVITY+ et directeur au MPE.
En analysant des observations remontant à 2017, les chercheurs ont constaté que son passage au plus près de Sagittarius A* remonte au début de l’année 2023. Lors de son passage au périastre, elle atteint une vitesse d’environ 25 000 à 25 600 km/s, soit plus de 8 % de la vitesse de la lumière.
« Ce qui est exceptionnel avec cette étoile, c’est qu’elle orbite autour de Sagittarius A* sur une orbite très resserrée, qu’elle parcourt en 8,7 ans, et qu’elle s’approche du trou noir à une distance d’environ 12 fois la distance entre la Terre et le Soleil. C’est du jamais vu », explique Felix Mang, doctorant au MPE et coauteur de l’étude publiée le 19 août dans la revue Nature.
Cette séquence d’images, prise par l’ instrument GRAVITY de l’interféromètre du Très Grand Télescope ( VLTI ) de l’ESO, montre plusieurs étoiles orbitant autour de Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie. Ces étoiles sont collectivement appelées étoiles S. Les flèches sur ces images indiquent leur mouvement observé autour du trou noir. L’une d’elles, S301, a récemment été découverte passant beaucoup plus près du trou noir que les autres étoiles S. © Collaboration ESO/GRAVITY
Le vestige d’un système binaire déchiré par le trou noir
Étant donné qu’une formation stellaire aussi proche du trou noir est considérée comme très improbable, S301 faisait probablement partie d’un système binaire. S301 aurait été la composante capturée d’un système binaire déchiré par le trou noir selon le mécanisme de Hills, tandis que son ancienne compagne aurait été éjectée à grande vitesse, sans qu’il soit possible d’établir qu’elle a effectivement quitté la Voie lactée.
D’après les chercheurs, S301 est actuellement l’une des rares étoiles connues dont l’orbite pourrait permettre de mesurer directement le spin de Sagittarius A*. « Grâce à cette étoile, nous espérons mesurer, d’ici dix ans, la rotation du trou noir », déclare Mang. Sans S301, il faudrait encore mesurer le mouvement d’autres étoiles pendant plusieurs décennies pour en détecter les éventuels effets de la rotation du trou noir.
