Crédit d'image: ESO
Une équipe d'astronomes a repéré une étoile par ailleurs normale faire un passage rapproché avec le trou noir supermassif qui se cache au centre de notre galaxie de la Voie lactée. À son approche la plus proche, l'étoile n'était qu'à 17 heures-lumière du trou noir (trois fois la distance du Soleil à Pluton). Des images de la région ont été recueillies sur 10 ans en utilisant le système d’optique adaptative de l’Observatoire Paranal de l’Observatoire européen austral.
Une équipe internationale d'astronomes [2], dirigée par des chercheurs de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre (MPE), a directement observé une étoile par ailleurs normale en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la galaxie de la voie lactée.
Dix années de mesures minutieuses ont été couronnées par une série d'images uniques obtenues par l'instrument d'optique adaptative (AO) NAOS-CONICA (NACO) [3] sur le télescope VLT YEPUN de 8,2 m de l'ESO Paranal Observatory. Il s'avère que plus tôt cette année, l'étoile s'est approchée du trou noir central à moins de 17 heures-lumière - seulement trois fois la distance entre le Soleil et la planète Pluton - tout en voyageant à pas moins de 5000 km / sec.
Les mesures précédentes des vitesses des étoiles près du centre de la Voie lactée et des émissions de rayons X variables de cette zone ont jusqu'à présent fourni la preuve la plus forte de l'existence d'un trou noir central dans notre galaxie d'origine et, implicitement, que la masse sombre les concentrations observées dans de nombreux noyaux d'autres galaxies sont probablement aussi des trous noirs supermassifs. Cependant, il n'a pas encore été possible d'exclure plusieurs configurations alternatives.
Dans un article de fond paru dans la revue de recherche Nature le 17 octobre 2002, la présente équipe rend compte de ses résultats passionnants, notamment des images haute résolution qui permettent de tracer les deux tiers de l'orbite d'une étoile désignée «S2». C'est actuellement l'étoile observable la plus proche de la source radio compacte et du candidat au trou noir massif «SgrA *» («Sagittaire A») au centre même de la Voie lactée. La période orbitale est d'un peu plus de 15 ans.
Les nouvelles mesures excluent avec une grande confiance que la masse sombre centrale consiste en un amas d'étoiles inhabituelles ou de particules élémentaires, et laissent peu de doute sur la présence d'un trou noir supermassif au centre de la galaxie dans laquelle nous vivons.
Quasars et trous noirs
Depuis la découverte des quasars (sources radio quasi-stellaires) en 1963, les astrophysiciens ont cherché une explication de la production d'énergie dans ces objets les plus lumineux de l'Univers. Les quasars résident au centre des galaxies, et on pense que l'énorme énergie émise par ces objets est due à la matière tombant sur un trou noir supermassif, libérant de l'énergie gravitationnelle par un rayonnement intense avant que ce matériau ne disparaisse à jamais dans le trou (en terminologie physique: «Passe au-delà de l'horizon des événements» [4]).
Pour expliquer la prodigieuse production d'énergie des quasars et autres galaxies actives, il faut conjecturer la présence de trous noirs avec des masses d'un million à plusieurs milliards de fois la masse du Soleil. De nombreuses preuves se sont accumulées au cours des dernières années à l'appui du modèle ci-dessus «d'accrétion du trou noir» pour les quasars et autres galaxies, y compris la détection de concentrations de masse sombre dans leurs régions centrales.
Cependant, une preuve sans ambiguïté nécessite d'exclure toutes les autres configurations possibles de trous non noirs de la concentration de masse centrale. Pour cela, il est impératif de déterminer la forme du champ gravitationnel très près de l'objet central - et cela n'est pas possible pour les quasars éloignés en raison des limitations technologiques des télescopes actuellement disponibles.
Le centre de la voie lactée
Le centre de notre galaxie de la Voie Lactée est situé dans la constallation sud du Sagittaire (l'Archer) et est "seulement" à 26 000 années-lumière [5]. Sur les images haute résolution, il est possible de discerner des milliers d'étoiles individuelles dans la région centrale d'une année lumière large (cela correspond à environ un quart de la distance à "Proxima Centauri", l'étoile la plus proche du système solaire) .
En utilisant les mouvements de ces étoiles pour sonder le champ gravitationnel, des observations avec le télescope de nouvelle technologie de 3,5 m (NTT) à l'ESO La Silla Observatory (Chili) (puis au télescope Keck de 10 m, Hawaï, États-Unis) au-dessus du la dernière décennie a montré qu'une masse d'environ 3 millions de fois celle du Soleil est concentrée dans un rayon de seulement 10 jours-lumière [5] de la radio compacte et de la source de rayons X SgrA * («Sagittaire A») au centre de l'amas d'étoiles.
Cela signifie que SgrA * est la contrepartie la plus probable du trou noir putatif et, en même temps, il fait du Centre Galactique la meilleure preuve de l'existence de tels trous noirs supermassifs. Cependant, ces enquêtes antérieures ne pouvaient pas exclure plusieurs autres configurations de trous non noirs.
«Nous avions alors besoin d'images encore plus nettes pour régler la question de savoir si une configuration autre qu'un trou noir est possible et nous avons compté sur le télescope ESO VLT pour les fournir», explique Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre ( MPE) à Garching près de Munich (Allemagne) et membre de l'équipe actuelle. «Le nouvel instrument NAOS-CONICA (NACO), construit en étroite collaboration entre notre institut, le Max-Planck Institute for Astronomy (MPIA: Heidelberg, Allemagne), l'ESO et les observatoires de Paris-Meudon et Grenoble (France), vient d'être ce dont nous avions besoin pour franchir cette étape décisive ».
Les observations de l'OCNA du centre de la Voie lactée
Le nouvel instrument NACO [3] a été installé fin 2001 sur le télescope YEPUN de 8,2 m du VLT. Déjà lors des premiers tests, il a produit de nombreuses images impressionnantes, dont certaines ont fait l'objet de communiqués de presse ESO antérieurs [6].
"Les premières observations de cette année avec l'OCNA nous ont tout de suite donné les images les plus nettes et les plus" profondes "du Centre de la voie lactée jamais prises, montrant un grand nombre d'étoiles dans cette zone de manière très détaillée", explique Andreas Eckart de l'Université de Cologne, un autre membre de l'équipe internationale dirigée par Rainer Sch? del, Thomas Ott et Reinhard Genzel de MPE. "Mais nous devions encore être submergés par le merveilleux résultat de ces données!"
En combinant leurs images infrarouges avec des données radio haute résolution, l'équipe a pu déterminer - pendant une période de dix ans - des positions très précises d'environ mille étoiles dans la zone centrale par rapport à la source radio compacte SgrA *, voir PR Photo 23c / 02.
«Lorsque nous avons inclus les dernières données de l'OCNA dans notre analyse en mai 2002, nous n'en croyions pas nos yeux. L'étoile S2, qui est actuellement la plus proche de SgrA *, venait d'effectuer un swing-by rapide près de la source radio. Nous avons soudain réalisé que nous assistions en fait au mouvement d'une étoile en orbite autour du trou noir central, le rapprochant incroyablement près de cet objet mystérieux », explique un très heureux Thomas Ott, qui travaille actuellement dans l'équipe MPE sur sa thèse de doctorat .
En orbite autour du trou noir central
Aucun événement comme celui-ci n'a jamais été enregistré. Ces données uniques montrent sans ambiguïté que S2 se déplace le long d'une orbite elliptique avec SgrA * à un foyer, c'est-à-dire que S2 orbite SgrA * comme la Terre tourne autour du Soleil, cf. le panneau droit de PR Photo 23c / 02.
Les superbes données permettent également une détermination précise des paramètres orbitaux (forme, taille, etc.). Il s'avère que S2 a atteint sa distance la plus proche de SgrA * au printemps 2002, moment auquel il n'était qu'à 17 heures-lumière [5] de la source radio, soit à peine 3 fois la distance Soleil-Pluton. Il se déplaçait alors à plus de 5000 km / s, soit près de deux cents fois la vitesse de la Terre sur son orbite autour du Soleil. La période orbitale est de 15,2 ans. L'orbite est plutôt allongée - l'excentricité est de 0,87 - indiquant que S2 est à environ 10 jours-lumière de la masse centrale au point orbital le plus éloigné [7].
«Nous sommes maintenant en mesure de démontrer avec certitude que SgrA * est bien l'emplacement de la masse sombre centrale que nous savions exister. Plus important encore, nos nouvelles données ont «diminué» d'un facteur de plusieurs milliers le volume dans lequel ces plusieurs millions de masses solaires sont contenues », explique Rainer Sch? Del, doctorant au MPE et également premier auteur de l'article résultant.
En fait, les calculs du modèle indiquent maintenant que la meilleure estimation de la masse du trou noir au centre de la voie lactée est de 2,6? 0,2 million de fois la masse du Soleil.
Aucune autre possibilité
Selon l'analyse détaillée présentée dans l'article Nature, d'autres configurations précédemment possibles, telles que des amas d'étoiles à neutrons très compacts, des trous noirs de taille stellaire ou des étoiles de faible masse, ou même une boule de neutrinos lourds putatifs, peuvent désormais être définitivement exclues.
La seule configuration de trous non noirs encore viable est une étoile hypothétique de particules élémentaires lourdes appelées bosons, qui ressemblerait beaucoup à un trou noir. "Cependant", dit Reinhard Genzel, "même si une telle étoile de boson est en principe possible, elle s'effondrerait rapidement dans un trou noir supermassif de toute façon, donc je pense que nous avons à peu près réussi l'affaire!"
Observations suivantes
«La plupart des astrophysiciens accepteraient que les nouvelles données fournissent des preuves convaincantes qu'un trou noir supermassif existe au centre de la Voie lactée. Cela rend encore plus probable l'interprétation supermassive du trou noir pour l'énorme concentration de masse sombre détectée au centre de nombreuses autres galaxies », explique Alvio Renzini, scientifique du programme VLT à l'ESO.
Que reste-t-il donc à faire? La prochaine grande quête consiste maintenant à comprendre quand et comment ces trous noirs supermassifs se sont formés et pourquoi presque toutes les galaxies massives semblent en contenir un. La formation de trous noirs centraux et celle de leurs galaxies hôtes elles-mêmes semblent de plus en plus être un problème identique. En effet, l'un des défis majeurs que le VLT devra résoudre au cours des prochaines années.
Il ne fait aucun doute que les observations interférométriques à venir avec des instruments à l'interféromètre VLT (VLTI) et au grand télescope binoculaire (LBT) entraîneront également un autre bond de géant dans ce domaine de recherche passionnant.
Andreas Eckart est optimiste: «Il sera peut-être même possible, grâce aux observations radiographiques et radiologiques dans les prochaines années, de démontrer directement l'existence de l'horizon des événements.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
