mercredi 13 novembre 2019

Une étoile éjectée par Sgr A* à 1755 km/s

1755 km/s ! C'est la vitesse d'une étoile que des astrophysiciens viennent de découvrir. Et c'est l'étoile la plus rapide jamais mesurée parmi les étoiles dites hypervéloces en provenance du centre galactique. Cette découverte fortuite indique que l'étoile a subi une éjection par le trou noir central de notre galaxie. Une étude parue dans les Monthly Notices of the Royal Astronomy Society.




Cette étoile est appelée S5-HVS1, elle a été découverte par la collaboration Southern Stellar Stream Spectroscopic Survey (S5) qui exploite le télescope Anglo-Australian Telescope (AAT) de 3,9 m situé en Australie. Les astrophysiciens ont ajouté à cette observation des données astrométriques ultra-précises du télescope européen Gaia.
Il s'agit d'une découverte fortuite, en effet, les astronomes cherchaient à observer des traînées d'étoiles, ce que produisent des amas globulaires ou des galaxies naines après avoir été disloqués, et puis ils sont tombés sur cette étoile à la vitesse très anormale...

S5-HVS1 a une masse de 2,35 masses solaires, et nous est actuellement distante de 9 kpc (30 000 années-lumière). Sergey Koposov (Carnegie Mellon University) et ses collaborateurs australiens et américains ont mesuré la vitesse radiale de S5-HVS1 (sa vitesse dans le ligne de visée) et ont reconstruit sa vitesse en 3D dans le référentiel de la galaxie, ce qui leur a permis de reconstruire la trajectoire de cette étoile qui affolerait plus d'un radar. Sa vitesse radiale vaut un peu plus de 1000 km/s, et sa vitesse totale vaut 1755 ± 50  km/s. Autant dire qu'à cette vitesse, cette étoile est vouée à quitter notre galaxie à jamais, promue au rang d'étoile errante... La trajectoire de S5-HVS1 tracée dans le passé ne laisse absolument aucun doute : elle provient d'après les chercheurs exactement du centre de notre galaxie, dans une zone de 50 x 1000 pc centrée sur Sgr A*.
Pour être exact, S5-HVS1 n'est pas l'étoile hypervéloce la plus rapide observée dans l'absolu, deux autres étoiles ont été mesurées, dans une étude parue en juillet de l'année dernière, avec une vitesse supérieure à 2000 km/s (2200 et 2400 km/s) dans le référentiel de la Galaxie, les étoiles nommées D6-1 et D6-3, mais il s'agit ici de naines blanches éjectées par l'explosion de leur compagne en supernova, un phénomène très différent et sans lien avec le centre de la galaxie.
Connaissant la position exacte de S5-HVS1 et sa vitesse, il est ensuite très facile de dater exactement quand elle a été propulsée à cette vitesse démente : c'était il y a 4,8 millions d'années. S5-HVS1 est la première étoile hypervéloce à pouvoir être associée sans ambiguité avec le trou noir central de notre galaxie, Sgr A*. Et Koposov  et ses collaborateurs montrent dans leur étude comment S5-HVS1 leur permet en outre de poser des contraintes sur la géométrie et la cinématique de la Voie Lactée, comme notamment la valeur de la vitesse du Soleil dans le plan galactique et sa position par rapport à Sgr A*. Résultats : v=246,1 ± 5,3  km s−1 et distance R0 = 8,12 ± 0,23 kpc (1 kpc = 3260 années-lumière). En revanche, les chercheurs ne peuvent pas, malgré une grosse envie, apporter une contrainte sur le puits de potentiel gravitationnel de la Voie Lactée, à cause du "temps de vol" trop court de l'étoile et des incertitudes non négligeables sur son mouvement propre.

Ce que notent les astrophysiciens, c'est que la trajectoire d'éjection et la durée de transit de S5-HVS1 coïncident avec le plan orbital et l'âge du disque annulaire de jeunes étoiles situé dans la région centrale de la galaxie. Ils en concluent qu'elle pourrait en provenir.
Il faut se rendre compte que 1755 km/s est une vitesse énorme qui est près de 10 fois plus grande que la vitesse classique des étoiles de notre galaxie. Et les autres étoiles hypervéloces qui avaient été découvertes auparavant et qui avaient été attribuées à une éjection par le trou noir central n'avaient qu'une vitesse au maximum deux fois moins élevée. Sergey Koposov et ses collègues en viennent ainsi à douter que ces autres étoiles aient subi le même mécanisme d'éjection.

Il faut rappeler ici comment Sgr A* peut éjecter ainsi des étoiles à très grande vitesse. Le mécanisme a été trouvé théoriquement par l'astronome Jack Hills il y a trente ans. Il a montré que lorsqu'un couple d'étoiles se retrouvait très près d'un trou noir supermassif, et même trop près, à tel point que l'une des deux étoiles du couple était capturée par le trou noir, il apparaissait un effet gravitationnel violent sur la compagne qui se retrouvait violemment éjectée à la manière d'une fronde. S5-HVS1 est en fait la première preuve observationnelle claire du mécanisme de Hills.
Il ne reste maintenant plus qu'à en trouver d'autres aussi ou plus rapides encore, afin de déterminer comment se disperse la vitesse d'éjection des étoiles et si des fois elle pourrait varier au cours du temps...


Source

Discovery of a nearby 1700 km/s star ejected from the Milky Way by Sgr A* 
Sergey E Koposov, et al.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society  (04 November 2019)


Illustrations

1) Vue schématique de la trajectoire de l'étoile S5-HVS1 (Sergey Koposov)

2) Position et vitesse dans les trois plans de S5-HVS1 par rapport au Soleil et à Sgr A* (S. Koposov, et al.)

3) Détermination des paramètres géométriques du Soleil (vitesse et distance galactocentriques) par rapport à Sgr A*, déduits à partir de la trajectoire et de la positon de  S5-HVS1 Soleil et à Sgr A* (S. Koposov, et al.)