Cette simulation figure les orbites d’étoiles situées à très grande proximité du trou noir supermassif qui occupe le centre de la Voie lactée. L’une de ces étoiles, baptisée S2, est caractérisée par une périodicité orbitale de 16 années. Elle passa à très grande proximité du trou noir en mai 2018. Cet environnement constitue le laboratoire de test idéal de la physique gravitationnelle, et plus particulièrement de la théorie de la relativité générale d’Einstein. © ESO, L. Calçada, spaceengine.org
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Le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée est-il en rotation ?

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Toutes les étoiles de l'Univers observable sont en rotation à des degrés divers et on peut raisonnablement croire que dans tous les processus astrophysiques de formation d'astres, y compris des trous noirs supermassifs, ceux-ci sont en rotation. Est-ce le cas du trou noir au cœur de notre Voie lactée ? Les travaux des récents prix Nobel de physique apportent des éléments de réponse.

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Le prix Nobel de physique 2020 a récompensé aussi bien les travaux théoriques sur les trous noirs de Roger Penrose que les indispensables travaux observationnels pour tester les théories qui les décrivent et en premier lieu la théorie de la relativité générale. On a beaucoup parlé d'Andrea Ghez, la quatrième femme seulement à recevoir un prix Nobel de physique alors que d'autres avant elle, comme Jocelyn Bell ou Chien-Shiung Wu, l'auraient également mérité. Mais Andrea Ghez n'était pas la seule à diriger une équipe menant des études sur la fameuse source radio Sagittarius A* (Sgr A*) au cœur de la Voie lactée, notamment en déterminant au cours des années les mouvements de certaines étoiles très proches de cette source. C'est aussi ce qu'a contribué à faire, avec son équipe, le corécipiendaire de la seconde partie du prix Nobel de physique : Reinhard Genzel.

Les deux lauréats ont ainsi démontré qu'il y avait un astre très compact et ne rayonnant pas intrinsèquement associé à Sgr A*. Tout indique à ce jour qu'il s'agit d'un trou noir supermassif contenant environ quatre millions de masses solaires et qui doit accréter un peu de matière, ce qui explique malgré tout qu'il soit associé à divers rayonnements dont celui en radio. Si l'on a de bonnes raisons de penser qu'il possède donc un disque d'accrétion, la question de savoir si ce disque produit des jets de particules, et surtout aussi  si le trou noir central supposé est bien un trou noir de Kerr en rotation, fait encore débat. Or, de nouvelles pièces à ce sujet viennent d'être apportées par deux astrophysiciens états-uniens du Centre d'astrophysique - Harvard & Smithsonian (CfA) et du Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) de la Northwestern University dans un article publié dans The Astrophysical Journal Letters.

Cette simulation figure les orbites d’un petit groupe d’étoiles situées à proximité du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Au cours de l’année 2018, l’une de ces étoiles, baptisée S2, passa tout près du trou noir et fut l’objet d’une intense campagne d’observations au moyen des télescopes de l’ESO. Son comportement fut conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein – incompatible en revanche avec la théorie de la gravitation de Newton. © ESO, L. Calçada, spaceengine.org

Des étoiles qui foncent à quelques pourcents de la vitesse de la lumière

Comme le célèbre Avi Loeb et son collègue Giacomo Fragione l'expliquent dans la publication que l'on peut trouver sur arXiv, ils se sont appuyés sur les déterminations des mouvements des étoiles S (S-stars), dont la plus célèbre est S2. Elles forment un amas stellaire autour de Sgr A* et certaines des plus proches se déplacent à quelques pourcents de la vitesse de la lumière au périastre.

Ces étoiles ont donc été étudiées depuis presque 20 ans par Reinhard Genzel et ses collaborateurs au sein notamment du Max-Planck-Institute für extraterrestrische Physik (Garching), l'un des principaux centres mondiaux de physique galactique et extra-galactique. Son groupe de recherche a des liens étroits avec des chercheurs de l'Observatoire de Paris au point que Genzel lui-même a été fait Docteur Honoris Causa de l'Observatoire de Paris en 2014 et est devenu membre associé de l'Académie des sciences en 1998.

La raison en est que Reinhard Genzel a travaillé de longue date avec des stars françaises qui ont été des pionniers de l'interférométrie et de l'optique adaptative, des techniques clés pour atteindre des résolutions angulaires records et qui ont été mises en pratique au Very Large Telescope (VLTde l'ESO, à savoir Pierre Léna, Antoine Labeyrie et François Roddier. Pierre Léna a compté récemment la saga des télescopes qui a conduit à ces techniques et aux révolutions qu'elles ont apportées dans son ouvrage Une histoire de flou : Miroirs, trous noirs et autres mondes.

Le prix Nobel de Physique Reinhard Genzel explique dans cette vidéo comment on peut tester la théorie de la relativité générale et celle des trous noirs avec Sgr A*. 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 ». © APS Physics

Reinhard Genzel n'a pas fait qu'étudier Sgr A* et ses étoiles avec l'instrument Gravity équipant l'Interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l'ESO pour observer les émissions de rayonnement infrarouge polarisé en provenance du disque d'accrétion qui entoure Sagittarius A* au cœur de notre Galaxie. Rappelons que Gravity permet de combiner la lumière en provenance des quatre télescopes du VLT pour créer un télescope virtuel de 130 mètres de diamètre. Il a également collaboré avec Françoise Combes, médaillée d’or du CNRS 2020, sur l'alimentation en gaz des noyaux actifs de galaxies (AGN) derrière lesquels se cachent des trous noirs supermassifs, en utilisant notamment l'interféromètre du Plateau de Bure à l'IRAM (Institut de radioastronomie millimétrique).

Mais revenons au travail d'Avi Loeb et son collègue Giacomo Fragione. Il jette une lumière nouvelle comme on l'a dit sur la question de savoir si la solution des équations d'Einstein qui décrit l'espace-temps d'un trou noir en rotation sous la forme de la fameuse métrique de Kerr (une découverte du mathématicien néo-zélandais Roy Kerr, en 1963), et qui fournit les bases des explications de la nature des quasars, est bien pertinente au moins pour comprendre ce qui se passe avec Sgr A*.

L'espace est entraîné en mouvement par la rotation des masses

Il se trouve qu'une telle métrique produit ce que l'on appelle l'effet Lense-Thirring, dit encore effet d'entraînement des référentiels (en anglais frame-dragging precession), et qui donc rend hommage à ses découvreurs, Josef Lense et Hans Thirring. Il y a environ 10 ans, cet effet a été testé dans le cas de la rotation de la Terre avec la mission Gravity Probe B, comme Futura l'avait expliqué en 2011.

Basiquement, cet effet prédit que pour un observateur en orbite autour d'un objet en rotation, tout se passe comme s'il était en plus posé sur la surface d'un disque en rotation. En physique newtonienne, cela conduirait une toupie à effectuer un mouvement de précession, et en physique relativiste cela peut se décrire comme si l'espace lui-même était entraîné en rotation autour de l'objet.

Dans le cas des étoiles S proches de Sgr A*, on constate que plusieurs sont rassemblées sur des orbites formant deux plans orbitaux inclinés l'un par rapport à l'autre de presque 90° et à 45° du plan galactique de la Voie lactée. À la précision des mesures faites avec le VLT, on ne voit pas de précession des orbites de ces étoiles ce qui pose une borne supérieure sur la vitesse de rotation du trou noir de notre Galaxie. Elle doit correspondre à une vitesse d'entraînement proche de l'horizon du trou noir inférieur à 10 % de celle de la vitesse de la lumière.

Si donc notre trou noir supermassif est bien en rotation, ce qui reste à prouver mais cela reste très probable, celle-ci ne semble pas suffisamment rapide pour générer des jets de matière comme on les voit dans le cas de certains AGN.

Cette vidéo montrant dans plusieurs fréquences radio ce que pourrait voir à 360° un observateur en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée, entraîné par le flot de plasma de son disque d’accrétion. La simulation numérique a été réalisée avec des codes calculant la trajectoire des rayons lumineux courbés par le champ de gravitation du trou noir. Les décalages spectraux dus à ce champ, notamment par effet Doppler en raison des mouvements de la matière du plasma émettant de la lumière dans le domaine radio, sont scrupuleusement pris en compte. La simulation réalisée exhibe donc l'aspect du plasma tourbillonnant autour du trou noir supermassif de notre Galaxie et elle commence par la vue d'un observateur autour de ce trou noir et l'effet de lentille gravitationnelle qu'il provoque sur le fond d'étoiles. Le temps est bien sûr accéléré. Les effets relativistes sur les mouvements du plasma, techniquement, des calculs de magnétohydrodynamique relativiste pour décrire la matière chaude et ionisée dans le disque d’accrétion en espace-temps courbe du trou noir de Kerr en rotation derrière Sagittarius A*, ont aussi été pris en compte. © J. Davelaar, T. Bronzwaer, D. Kok, Z. Younsi, M. Moscibrodzka, & H. Falcke BlackHoleCam, Radboud University Nijmegen, Goethe University Frankfurt

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