.webp)
Une équipe d’astronomes vient de publier la découverte d'une étoile peu lumineuse sur l’orbite qui se rapproche le plus de Sgr A*, le tou noir central de notre galaxie Sa période orbitale autour du trou noir supermassif n’est que de 8,7 ans et sa distance au péricentre est suffisamment faible pour que sa vitesse maximale atteigne 25 000 km/s. Grâce aux capacités de mesure actuelles de l'interférométrie proche infrarouge et aux futures spectroscopies réalisées avec les prochains télescopes géants, le mouvement de cette étoile nommée S301 pourra directement mesurer la rotation de Sgr A*. La forte excentricité de S301 suggère en outre qu'elle est la composante capturée d'un système binaire qui a été disloqué par Sgr A* via le mécanisme de Hills. L’étude est publiée dans Nature.
Puisque tous les objets de l'Univers tournent, on s'attend à ce que les trous noirs tournent également, notamment parce que le moment cinétique est conservé. Comme l'influence de la rotation sur l'espace-temps diminue avec la distance r au trou noir à un taux de r⁻³, sa mesure est en réalité complexe. L'existence de jets dans les noyaux galactiques actifs implique que les trous noirs supermassifs situés au cœur de ces noyaux tournent. Des estimations de la rotation ont été obtenues à partir de spectres de réflexion de rayons X, où la forme de la raie Kα du fer sert de sonde, bien que l'impact de la rotation soit faible.
Pour les trous noirs stellaires en accrétion, les rotations peuvent être estimées à partir de la théorie de l'accrétion, et ne sont donc pas exemptes d'hypothèses. Les signatures les plus nettes sont probablement celles des fusions d'ondes gravitationnelles, où les spins des objets initiaux figurent parmi les paramètres d'ajustement des formes d'onde avant fusion, et le spin du trou noir résultant peut être déduit de sa signature de relaxation.
Sagittarius A* (Sgr A*), le trou noir supermassif du centre galactique (à 8,3 kpc), offre une méthode directe et dynamique pour mesurer sa rotation grâce aux étoiles proches qui lui tournent autour. Quelques dizaines d'étoiles gravitent sur des orbites quasi képlériennes, avec une distribution d'excentricité relativement faible et des orbites orientées aléatoirement. Les étoiles les plus proches de Sgr A* sont les plus précieuses, car elles permettent d'explorer au plus profond du potentiel gravitationnel. En particulier, l'étoile S2, sur une orbite de 16 ans, a fait l'objet d'une attention particulière en raison de son orbite relativement facile d'accès. Le mouvement de S2 est fortement affecté par les effets relativistes : lors de son passage au péricentre en 2018, le décalage vers le rouge gravitationnel de Sgr A* a pu être mesuré. En 2020, les données astrométriques de l'étoile ont montré que son orbite avait précessé d'environ 12′ en 2018, ce qui est parfaitement compatible avec un mouvement suivant la métrique relativiste. Ces découvertes ont été rendues possibles grâce à l'interférométrie proche infrarouge avec l'instrument GRAVITY du Very Large Telescope de l’ESO au Chili.
Pour S2, l'instrumentation actuelle exige des séries temporelles excessivement longues pour détecter sa rotation. Le paramètre déterminant la sensibilité d'une étoile aux effets relativistes est sa distance au péricentre r = a (1 − e ), qui pour S2 est de 1 400 RS (rayons de Schwarzschild, 1 RS = 10 µas pour Sgr A*).
Des étoiles avec un r plus petit permettraient une détection plus rapide, nécessitant des demi-grands axes a plus petits et/ou des excentricités e plus grandes . Avec une résolution spatiale d'environ 1,7 mas, une précision astrométrique d'environ 30 µas comparable à RS et un champ de vision d'environ 70 mas, GRAVITY peut théoriquement détecter des étoiles dont le passage au péricentre est beaucoup plus proche de Sgr A* que celui de S2.
Karim Abd El Dayem (Observatoire de Paris) et ses collaborateurs ont réussi à mettre en pratique la théorie avec la découverte de l’étoile S 301.
Les astronomes de la collaboration GRAVITY observent régulièrement la seconde d'arc centrale autour de Sgr A* afin de suivre les mouvements stellaires. Les observations ont lieu mensuellement, lors de campagnes d'environ une semaine entre mars et septembre. Un temps d'observation total d'environ 80 à 100 h/an est consacré à ces observations. La majeure partie de ce temps est dédiée à un pointage central contenant Sgr A*, qui sert de référence astrométrique pour toutes les positions stellaires.
Des étoiles avec un r plus petit permettraient une détection plus rapide, nécessitant des demi-grands axes a plus petits et/ou des excentricités e plus grandes . Avec une résolution spatiale d'environ 1,7 mas, une précision astrométrique d'environ 30 µas comparable à RS et un champ de vision d'environ 70 mas, GRAVITY peut théoriquement détecter des étoiles dont le passage au péricentre est beaucoup plus proche de Sgr A* que celui de S2.
Karim Abd El Dayem (Observatoire de Paris) et ses collaborateurs ont réussi à mettre en pratique la théorie avec la découverte de l’étoile S 301.
Les astronomes de la collaboration GRAVITY observent régulièrement la seconde d'arc centrale autour de Sgr A* afin de suivre les mouvements stellaires. Les observations ont lieu mensuellement, lors de campagnes d'environ une semaine entre mars et septembre. Un temps d'observation total d'environ 80 à 100 h/an est consacré à ces observations. La majeure partie de ce temps est dédiée à un pointage central contenant Sgr A*, qui sert de référence astrométrique pour toutes les positions stellaires.
Les données sont regroupées par nuit et sont analysées de deux manières : premièrement, les données sont ajustées à un modèle qui contient les sources connues et fournit leurs positions et flux. Par construction, il ne révèle pas de nouvelles sources. Deuxièmement, une reconstruction d'images est produite en effectuant une inversion de Fourier des données. Les images permettent d'identifier des sources jusqu'alors inconnues.
C’est ainsi qu’au printemps 2023, Abd El Dayem et ses collaborateurs ont découvert une étoile peu lumineuse à 15 ms d’arc au nord-ouest de Sgr A*, qui s'est éloignée du centre au cours des mois suivants et qu’ils ont nommée S301. À partir de ses quatre positions relevées en 2023, les chercheurs ont déduit un mouvement rapide ( v ≈ (−44, +27) ms d’arc par an, | v | ≈ 2 000 km s⁻¹ ) et légèrement incurvé, qui devait amener l'étoile hors du champ de vision central en 2024.
C’est ainsi qu’au printemps 2023, Abd El Dayem et ses collaborateurs ont découvert une étoile peu lumineuse à 15 ms d’arc au nord-ouest de Sgr A*, qui s'est éloignée du centre au cours des mois suivants et qu’ils ont nommée S301. À partir de ses quatre positions relevées en 2023, les chercheurs ont déduit un mouvement rapide ( v ≈ (−44, +27) ms d’arc par an, | v | ≈ 2 000 km s⁻¹ ) et légèrement incurvé, qui devait amener l'étoile hors du champ de vision central en 2024.
Ils ont donc décidé de suivre S301 par des pointages dédiés en 2024 et 2025, ce qui leur a permis d'obtenir huit puis cinq mesures astrométriques supplémentaires. Connaissant désormais l'orbite préliminaire, ils ont pu prédire a posteriori les positions de l'étoile lors des précédentes périodes d'observation et déterminer si elle se trouverait par hasard dans l'un de leurs pointages. Et ils ont effectivement détecté une forte corrélation avec S301 en 2021 et une corrélation plus faible en 2017.
Au total, les chercheurs disposent maintenant de 19 positions astrométriques de S301 qui dessinent une ellipse dans le ciel et correspondent à une orbite cohérente. En utilisant une minimisation du χ² , ils ont ajusté une orbite képlérienne préliminaire aux données astrométriques ( α ( t ), δ ( t )) et selon cet ajustement, S301 a franchi le péricentre de son orbite début 2023, avec une séparation tridimensionnelle nettement inférieure à celle de S2. Cela implique de prendre en compte les effets relativistes, en utilisant le même modèle que pour S2, incluant l'effet Rømer (ralentissement dû à la vitesse finie de la lumière) et la précession de Schwarzschild. Le potentiel est défini par la masse centrale fixée à M = 4,297 10⁶ M⊙ à une distance R0 = 8 277 pc.
En raison du manque d'informations sur la vitesse radiale, deux solutions équivalentes existent, correspondant aux deux orientations possibles de l'orbite. En principe, le délai de Rømer pourrait lever cette dégénérescence, mais les deux orientations donnent des valeurs de χ² optimales indiscernables. Hormis cette ambiguïté de signe, l'ajustement de l'orbite converge de manière unique et ne correspond à aucune détection précédemment annoncée.
Et cette orbite est vraiment remarquable : elle a un demi-grand axe a = 83 ms d’arc (soit 33 % plus petit que celui de S2) et une période orbitale de 8,7 ans (environ 2 fois plus courte que celle de S2). L'étoile S301 établit un nouveau record de la période orbitale la plus courte autour de Sgr A*, le précédent record étant détenu par S55 (également appelée S0-102) qui a une période de 12 ans.
Au total, les chercheurs disposent maintenant de 19 positions astrométriques de S301 qui dessinent une ellipse dans le ciel et correspondent à une orbite cohérente. En utilisant une minimisation du χ² , ils ont ajusté une orbite képlérienne préliminaire aux données astrométriques ( α ( t ), δ ( t )) et selon cet ajustement, S301 a franchi le péricentre de son orbite début 2023, avec une séparation tridimensionnelle nettement inférieure à celle de S2. Cela implique de prendre en compte les effets relativistes, en utilisant le même modèle que pour S2, incluant l'effet Rømer (ralentissement dû à la vitesse finie de la lumière) et la précession de Schwarzschild. Le potentiel est défini par la masse centrale fixée à M = 4,297 10⁶ M⊙ à une distance R0 = 8 277 pc.
En raison du manque d'informations sur la vitesse radiale, deux solutions équivalentes existent, correspondant aux deux orientations possibles de l'orbite. En principe, le délai de Rømer pourrait lever cette dégénérescence, mais les deux orientations donnent des valeurs de χ² optimales indiscernables. Hormis cette ambiguïté de signe, l'ajustement de l'orbite converge de manière unique et ne correspond à aucune détection précédemment annoncée.
Et cette orbite est vraiment remarquable : elle a un demi-grand axe a = 83 ms d’arc (soit 33 % plus petit que celui de S2) et une période orbitale de 8,7 ans (environ 2 fois plus courte que celle de S2). L'étoile S301 établit un nouveau record de la période orbitale la plus courte autour de Sgr A*, le précédent record étant détenu par S55 (également appelée S0-102) qui a une période de 12 ans.
Plus extrême encore est l’excentricité de S301 qui vaut e = 0,9832 (ou 0,9821, en fonction des orientations possibles), une ellipse extrêmement serrée qui conduit à une distance au péricentre rp de seulement 136 RS (ou 142 RS respectivement). Elle s’approche donc environ 10 fois plus près de Sgr A* que S2.
Sachant que le rayon de Schwarzschild de Sgr A* vaut 0,085 unités astronomiques (ou 12,7 millions de kilomètres si vous préférez), S301 s’approche donc au plus près à une distance d’environ 12 unités astronomiques de Sgr A*. C’est un petit plus que la distance séparant Saturne et le Soleil…
Sachant que le rayon de Schwarzschild de Sgr A* vaut 0,085 unités astronomiques (ou 12,7 millions de kilomètres si vous préférez), S301 s’approche donc au plus près à une distance d’environ 12 unités astronomiques de Sgr A*. C’est un petit plus que la distance séparant Saturne et le Soleil…
Cela implique évidemment des effets relativistes proportionnellement beaucoup plus importants que ce qui existe sur S2. Par exemple, l'avance relativiste du péricentre est de 2,0° (ou 1,9°) par orbite, ce qui fait qu'après seulement 1 560 ans (ou 1 630 ans), l'orbite a effectué une révolution complète dans son plan. Et qui dit passage à proximité du trou noir dit grande vitesse. Les astronomes ont calculé qu’au péricentre, S301 se déplace à environ 25 600 km/s (soit 8,5 % de la vitesse de la lumière !).
Pour Abd El Dayem et ses collaborateurs, l'aspect le plus fascinant de l'orbite de S301 réside dans sa distance péricentrique extrêmement faible, car cela la rend sensible à l’effet Lense-Thirring, c’est-à-dire à la rotation de l’espace-temps induit par la rotation de Sgr A*. L’effet devrait être tel qu’il pourra être mesuré d'ici une dizaine d'années grâce aux instruments existants et/ou en projet.
Pour Abd El Dayem et ses collaborateurs, l'aspect le plus fascinant de l'orbite de S301 réside dans sa distance péricentrique extrêmement faible, car cela la rend sensible à l’effet Lense-Thirring, c’est-à-dire à la rotation de l’espace-temps induit par la rotation de Sgr A*. L’effet devrait être tel qu’il pourra être mesuré d'ici une dizaine d'années grâce aux instruments existants et/ou en projet.
S301 offre ainsi la première et seule méthode pratique pour mesurer la rotation de Sgr A* grâce à la dynamique stellaire. Bien que toutes les autres étoiles de type S connues soient insensibles à l'effet d'entraînement du référentiel (effet Lense-Thirring) sur les échelles de temps observables du fait de leur plus grande distance au péricentre, elles permettront quand-même de contraindre la masse de Sgr A* qui est utile pour la mesure de la rotation. Et ces autres étoiles permettront également de contraindre les perturbations newtoniennes dues aux masses sombres orbitant autour de Sgr A*, perturbations que l'on suppose négligeables aujourd’hui. À plus long terme, une fois disponibles des séries temporelles suffisamment longues de données astrométriques et spectroscopiques suffisamment précises, S301 ouvrira la voie à la détermination du moment quadripolaire de Sgr A* et à la vérification de la relation de Kerr.
Abd El Dayem et ses collaborateurs ne se sont pas arrêté là. Ils se sont également demandé comment S301 avait pu se retrouver là, aussi près de Sgr A*. Les astronomes se sont servi des échelles de temps dynamiques pour apporter une réponse. Ils constatent que l'étoile et son orbite peuvent être affectées par les collisions stellaires et la relaxation. Or la formation d'étoiles si près du trou noir supermassif est improbable compte tenu des forts effets de marée, donc S301 s'est probablement formée ailleurs et a migré vers sa position actuelle. Compte tenu de sa masse, la durée de vie de S301 est comparable au temps de relaxation à deux corps ; il est donc peu probable qu'elle se soit formée dans l'amas nucléaire et ait migré lentement vers l'intérieur par relaxation à deux corps. En revanche, la valeur extrême de son excentricité (e ≃ 0,98) peut être naturellement produite lors de la rupture d'un système binaire par un trou noir supermassif via le mécanisme de Hills. Dans ce mécanisme, l’interaction à trois corps entre le trou noir et les deux étoiles produit la capture de l’une des deux étoiles sur une orbite très excentrique et l’éjection de la deuxième à une très grande vitesse, et qui peut quitter à terme la galaxie.
La hiérarchie des échelles de temps au rayon de S301 contraint davantage son origine et son évolution. Les échelles de temps de relaxation du moment angulaire et de collision sont plus courtes que la durée de vie de l’étoile sur la séquence principale. Les chercheurs expliquent que si l'étoile était restée dans le centre galactique pendant plus de quelques dizaines de millions d’années, son excentricité se serait thermalisée, effaçant toute trace de son état initial. Dans ce cas, la forte excentricité serait simplement due au hasard (et il y a environ 3 % de chances de trouver une excentricité aussi élevée pour une distribution thermique). Alternativement, S301 pourrait avoir été injectée récemment dans le centre galactique, de sorte qu'elle n'aurait pas eu le temps de se relaxer et constituerait un fossile intact de son événement de capture.
Les longs temps de relaxation à deux corps et de spirale par des ondes gravitationnelles impliquent que le demi-grand axe de l'étoile n'a pas évolué de manière significative au cours de sa vie. Son orbite actuelle contraint donc le système binaire progéniteur.
Une telle mesure de la rotation de l’étoile sur elle-même permettrait ainsi de tester directement l'origine par le mécanisme de Hills.
Prises ensemble, les propriétés de S301 suggèrent une image simple et cohérente : une binaire compacte d’étoiles de la séquence principale a été séparée par effet de marée par Sgr A*, laissant derrière elle S301 sur l'orbite la plus relativiste connue, et éjectant sa compagne sous la forme d'une étoile hyper-véloce. Mais la grande vitesse de l’étoile éjectée dans le processus n’est sans doute qu’un dixième de la vitesse actuelle de S301 lorsqu’elle passe au plus près de Sgr A* tous les 8,7 ans…
Source
Discovery of a star sensitive to the spin of Sagittarius A*
Karim Abd El Dayem et al.
Nature (19 August 2026)
https://doi.org/10.1038/
Illustrations
1. Positions de S301 autour de Sgr A* à quatre époques différentes (Abd El Dayem et al.)
2. Karim Abd El Dayem
Aucun commentaire :
Enregistrer un commentaire