Sciences

Le trou noir au cœur de la Voie lactée

Dossier - Voie lactée : les mystères d'une galaxie spirale
DossierClassé sous :Astronomie , voie lactée , Galaxie

-

La Voie lactée, magnifique chemin d’étoiles dans le ciel nocturne, conserve encore bien des secrets. Matière et énergie noires, trou noir supermassif sont autant de sujets fascinants permettant de mieux comprendre notre galaxie.

  
DossiersVoie lactée : les mystères d'une galaxie spirale
 

Chaque galaxie comporte en son centre un trou noir supermassif, de masse comprise entre un million et un milliard de masses solaires. La masse du trou noir est proportionnelle à la masse du bulbe ou du composant sphéroïde d'étoiles ; c'est pourquoi les galaxies elliptiques ont les trous noirs les plus massifs. La Voie lactée est une galaxie spirale. Son trou noir est relativement léger.

Image simulée d'un trou noir stellaire. © Alain R, CC by-sa 2.5

Les bulbes sont des composants stellaires qui tracent l'accumulation de masse acquise dans les fusions de galaxies, ou bien l'accrétion de galaxies satellites englouties dans le passé, évènements qui s'accompagnent de l'alimentation du trou noir central, dont la masse croît en conséquence. C'est ainsi que l'on peut expliquer cette relation de proportionnalité.

Graphique montrant la relation entre la masse du trou noir central et la masse du bulbe (ou sphéroïde stellaire) des galaxies. En gros, la masse du trou noir représente 0,3 % de la masse du bulbe. © K. Cordes, S. Brown (STScI)

Sagittarius A*, le trou noir léger de la Voie lactée

Notre galaxie ne possède pas un bulbe massif, c'est pourquoi son trou noir est relativement léger : quatre millions de masses solaires. En revanche, il se trouve très proche de nous (à 24.000 années-lumière), et nous connaissons ses propriétés avec plus de précision.

Le trou noir au centre de notre galaxie est-il une menace pour notre planète ? Jean-Pierre Luminet nous en dit plus sur le sujet. © Futura

Le proche infrarouge, qui s'affranchit de l'obscuration de la poussière, permet d'observer les étoiles qui orbitent autour du trou noir central, coïncidant avec une radiosource faible, Sagittarius A*. Ces étoiles se déplacent à des vitesses extrêmes, de l'ordre de 1.000 km/s, et elles orbitent à des distances de l'ordre de dix jours-lumière du trou noir. Leur période de rotation est de l'ordre de dix ans, et il est possible de mesurer leur mouvement propre. À ces distances, le trou noir domine le potentiel gravitationnel, et les orbites sont exactement képlériennes. Ci-après sont représentées quelques-unes de ces orbites.

Dans cet extrait d’une animation, préparée par le Galactic Center Group, de l’université de Californie à Los Angeles, les positions des diverses étoiles observées à différentes époques, entre 1995 et 2010, sont rassemblées pour reconstruire leurs orbites. La barre d'échelle à gauche vaut 0,1 seconde d'arc. © Andrea Ghez

Les orbites des étoiles ne sont pas perturbées par le trou noir, car elles sont encore loin de l'horizon. Celui-ci est le rayon de non-retour, rayon à partir duquel la vitesse d'échappement devient supérieure à la vitesse de la lumière. À l'intérieur de l'horizon, plus rien ne peut sortir, et le trou est vraiment noir. L'horizon pour le trou noir de la Voie lactée est d'un dixième de la distance Terre-Soleil. La période de rotation à cette distance est de l'ordre de six minutes.

Les observations de Sagittarius A* ont bien mis en évidence des sursauts lumineux en rayons X variant sur des échelles de temps de dix minutes. Sans doute ces phénomènes sont-ils émis par du gaz en rotation sur une des dernières orbites visibles autour du trou noir. L'examen de tous ces phénomènes va permettre d'étudier de plus près les champs de gravité intenses au voisinage de trous noirs, et de mieux comprendre la gravité elle-même.

La galaxie elliptique NGC 5128, qui est aussi une puissante radiosource : Centaurus A. En blanc se trouve la galaxie optique (les étoiles, vues avec un télescope de l’ESO), et l’obscuration due à la poussière en noir ; en orange, l’émission de la poussière en ondes submillimétriques (télescope Apex, Atacama Pathfinder Experiment), en bleu l’émission des rayons X (satellite Chandra). © Chandra, Nasa

Un trou noir central non actif

Curieusement, ce trou noir central n'est pas actif. Pourtant, il est entouré de gaz moléculaire qui pourrait un jour y tomber, et rayonner intensément. Le phénomène de noyau actif de galaxie est le plus lumineux de l'univers. Ce rayonnement puissant est appelé « quasar » : le noyau actif peut être 1.000 fois plus lumineux que la galaxie entière.

Les quasars ont longtemps été les objets les plus lointains détectés dans l'univers. Lorsqu'ils sont actifs, des phénomènes de rétroaction éjectent la matière loin du trou noir, et modèrent ainsi sa croissance. On voit parfois des jets de plasma se déplaçant à vitesse relativiste, perpendiculairement au disque d'accrétion. Ces jets peuvent entraîner du gaz et de la poussière très loin de la galaxie, comme dans le cas de Centaurus A.