Une vue d'artiste des objets G autour du trou noir central de la Voie lactée. © Jack Ciurlo

Sciences

De mystérieux objets G découverts autour du trou noir supermassif de la Voie lactée

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Découverts au début du XXIe siècle en orbite rapprochée autour du trou noir supermassif de la Voie lactée, les premiers objets G semblaient être de simples nuages de gaz et de poussières avant que le comportement de l'un d'entre eux ne surprenne les astrophysiciens. Avec la découverte de quatre nouveaux objets G, les chercheurs pensent maintenant avoir identifié la pointe émergée d'une nouvelle population d'astres qu'il reste à étudier.

Pendant la première décennie du XXIe siècle, deux équipes d'astronomes ont cherché à mieux comprendre les trous noirs supermassifs et leur croissance conjointe avec les galaxies -- indiquée par la proportionnalité quasi-constante entre les masses des galaxies abritant ces astres compacts et leurs masses. Ils ont fait deux étranges découvertes en prenant comme laboratoire d'étude le trou noir supermassif le plus proche dans une galaxie, à savoir Sgr A* dans la Voie lactée.

Rappelons que les grandes galaxies possèdent un trou noir supermassif central dont la masse est comprise entre quelques millions et quelques milliards de masses solaires. Ces trous noirs sont à l'origine des quasars quand ils accrètent de grandes quantités de gaz. Mais on ne sait pas comment ces trous noirs sont apparus, ni d'où ils tirent la matière qui les alimente lorsqu'ils se transforment en noyaux actifs de galaxies -- même si l'on pense qu'interviennent des courants froids comme l'expliquait à Futura le cosmologiste Romain Teyssier.

Toujours est-il que l'équipe menée par Andrea Ghez, du Département de physique et d'astronomie de l'Université de Californie à Los Angeles (Ucla), a ainsi fait la découverte en 2005, au voisinage de Sgr A*, d'un astre plus tard baptisé objet G1. En 2011, Reinhard Genzel, de l'Institut Max Planck, lancé lui aussi depuis longtemps dans l'étude du trou noir supermassif de notre Galaxie mais avec le VLT de l'ESO, annonçait avec ses collègues la découverte d'un second objet très similaire à G1 et baptisé pour cette raison G2. Dans les deux cas, les premières mesures indiquaient que l'on était probablement en présence de nuages de gaz très poussiéreux.

Explications de la découverte de G2 annoncée en 2011 ainsi que des observations que l'on s'attendait à faire lorsqu'il allait passer vers 2013 au plus proche de Sgr A*. Pour voir les sous-titres, cliquez sur « CC », puis sur « traduire les sous-titres » pour choisir la langue en cliquant dans la barre. Sélectionnez « français », puis « OK ». La traduction est assez bonne. © SpaceRip, ESO, YouTube

Les objets G, une nouvelle population d'astres dans la Voie lactée

Or, tout indiquait également, en ce qui concerne G2, qu'il allait passer dans quelques années si proche de Sgr A* que l'on pouvait s'attendre à le voir détruit par les forces de marée du trou noir. L'événement promettait d'être spectaculaire car, en dévorant le nuage, Sgr A* allait le conduire avant à devenir plus chaud au point de devenir nettement plus brillant, donnant l'occasion d'étudier plus en détail ce qui se passe quand un trou noir supermassif se met à absorber de la matière via un disque d'accrétion au point de devenir parfois un quasar.

Mais il n'en fut rien... Ce qui allait faire des objets G des astres quelque peu mystérieux sur lesquels les astrophysiciens allaient se pencher. Andrea Ghez et ses collègues annoncent donc aujourd'hui la découverte de quatre autres objets G dans une publication dans le journal Nature.

Pour faire la découverte aujourd'hui exposée dans ce journal, les astronomes ont compulsé 13 années de données collectées par Ghez et ses collègues concernant les mouvements des gaz et des étoiles proches de Sgr A*, via la technologie d'optique adaptative qui équipe les deux télescopes de l'observatoire Keck à Hawaï.

Les six objets G sont d'aspects similaires, d'environ 100 unités astronomiques de diamètre, donc 50 fois la taille de l'orbite terrestre et ils se trouvent dans un rayon de moins de 0,13 années-lumière autour du trou noir super massif de la Voie lactée. Si G1 et G2 sont sur des orbites semblables, celles de G3 à G6 sont assez différentes avec des périodes orbitales de 170 à 1.600 ans. C'est intéressant parce que cela plaide en faveur de l'idée que ces objets ont des lieux de formation très dispersés et que l'on est en présence de la pointe émergée d'une population d'astres jamais encore observés mais qui sont sans doute assez communs autour d'un trou noir supermassif.

G2, une jeune étoile enveloppée de poussière ?

Pour comprendre ce qui pose problème avec ces objets G, il faut se rappeler que les premières études sur G2 indiquaient que l'on était en présence d'un nuage de gaz et de poussières, donc très diffus, contenant l'équivalent de 3 fois la masse de la Terre et qui fonçait en direction de Sgr A* sur une orbite fortement elliptique qui devait le faire passer en 2013 à seulement 40 milliards de kilomètres de l'horizon des événements du trou noir géant, soit environ 36 heures-lumière.

En 2014, force était de conclure qu'il n'avait pas du tout été détruit par les forces de marée du trou noir supermassif, ce qui impliquait qu'il était plus dense qu'on ne l'imaginait et qu'il ne pouvait pas s'agir d'un simple nuage. Sa propre gravité devait donc être assez intense, du fait de sa densité, pour résister à ces forces de marée.

Le nuage poussiéreux G2 s'est approché, puis éloigné du trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée. Ces nouvelles observations effectuées au moyen du VLT de l'ESO témoignent de la survie du nuage à sa rencontre avec le trou noir : il demeure un objet compact dont l'étirement n'est pas significatif. © A. Eckart, ESO, YouTube

Andrea Ghez et sa collègue Anna Ciurlo pensent maintenant que les objets G sont des étoiles entourées d'un cocon de gaz et de poussières, celui-ci étant le vestige d'un événement spectaculaire qui prend un million d'années pour se terminer, la fusion de deux étoiles formant initialement un système binaire. Ces fusions seraient catalysées par les forces de marée proches du trou noir supermassif de la Voie lactée.

Dans un communiqué de l'Ucla, Andrea Ghez explique ainsi que « les fusions d'étoiles peuvent se produire dans l'univers plus souvent que nous ne le pensions, et sont probablement assez courantes. Les trous noirs peuvent conduire les étoiles binaires à fusionner. Il est possible que bon nombre des étoiles, que nous regardons et que nous ne comprenons pas, soient le résultat final de fusions. Nous apprenons comment les galaxies et les trous noirs évoluent. La façon dont les étoiles binaires interagissent entre elles et avec un trou noir est très différente de la façon dont les étoiles ordinaires interagissent avec d'autres étoiles ordinaires et avec un trou noir ».

Toujours dans le même communiqué, Anna Ciurlo attire l'attention sur le fait que si les observations montrent que la couche de gaz extérieure de G2 a bien été étirée de manière spectaculaire par son passage proche de Sgr A*, la distribution de sa poussière à l'intérieur ne s'est pas beaucoup étendue. L'astrophysicienne en conclut donc bien que « quelque chose a dû le garder compact et lui permettre de survivre à sa rencontre avec le trou noir. C'est la preuve de la présence d'un objet stellaire à l'intérieur de G2 ».

Andrea Ghez parle son travail sur les trous noirs. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Ucla

Ce qui est certain, c'est que les astronomes vont poursuivre l'étude du comportement des objet G, des étoiles et du gaz autour du trou noir géant de la Voie lactée. En effet, le comportement de la matière dans le champ de gravitation d'un astre aussi massif permet de sonder le comportement de la gravité lorsqu'elle est forte. On peut ainsi tester la théorie de la relativité générale en espérant découvrir des signes d'une physique concernant la gravitation au-delà de la théorie d'Einstein, ou simplement mettre à l'épreuve la théorie des trous noirs supermassifs.

  • Découverts au début du XXIe siècle en orbite rapprochée autour du trou noir supermassif de la Voie lactée, les premiers objets G semblaient être de simples nuages de gaz et de poussières.
  • L'objet G2 aurait dû être détruit par les forces de marée lors de son passage proche du trou noir Sgr A*. Il a résisté. Preuve de la présence d'un astre en son cœur. 
  • Les six objets G connus sont d’aspects similaires et ils se trouvent dans un rayon de moins de 0,13  années-lumière autour du trou noir super massif de la Voie lactée.
  • Si G1 et G2 sont sur des orbites semblables, celles de G3 à G6 sont assez différentes. Cela plaide en faveur de l’idée que ces objets ont des lieux de formation très dispersés et qu'il s'agit de la pointe émergée d’une population d’astres jamais encore observés.
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