Au centre de la Voie lactée siège un trou noir supermassif autour duquel se massent des étoiles et de la poussière un milliard de fois plus denses qu’en périphérie de la galaxie. Image: Shutterstock
Sagittarius A*, le trou noir supermassif qui trône au centre de notre galaxie, révèle peu à peu ses secrets… Mais c’est son visage que tous veulent voir !
Jamais on n’avait observé le cœur de la Voie lactée avec autant de précision : les images livrées fin 2021 par l’équipe de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre, en Allemagne, sont époustouflantes. On y voit plusieurs étoiles littéralement danser, à des vitesses vertigineuses, autour du trou noir supermassif du centre de notre galaxie. Ce monstre, appelé Sagittarius A* (prononcez « A étoile »), est un puits de gravité si intense qu’il fait tourbillonner les astres à toute allure autour de lui. C’est ce qui permet aux astronomes de l’espionner et de le jauger sans le voir − un trou noir étant invisible par définition.
« Ce qui est fascinant, c’est qu’on ait pu distinguer autant d’étoiles si proches du trou noir et déterminer leur position aussi précisément », se réjouit Julia Stadler, coauteure des deux études parues dans Astronomy & Astrophysics. En scrutant ainsi l’orbite des étoiles, les astronomes ont pu donner la meilleure estimation à ce jour de la masse du trou noir. Celle-ci atteint 4,3 millions de fois celle du Soleil, mais est contenue dans un « petit » espace (31 fois le diamètre de notre étoile).
Les nouvelles observations confirment en outre que les étoiles suivent exactement les trajectoires prédites par la théorie de la relativité générale, là où le « tissu » de l’espace-temps est déformé à l’extrême par le corps massif. Sur la cinquantaine d’étoiles qui flirtent dangereusement avec Sagittarius A*, c’est la dénommée S29 qui détient le record de proximité. En mai 2021, elle est passée à une distance de 13 milliards de kilomètres du trou noir, soit environ 90 fois la distance Soleil-Terre, à la vitesse hallucinante de 8 740 km/s, précise l’équipe. « Nous avons aussi découvert une nouvelle étoile, ce qui est excitant », ajoute Julia Stadler. Baptisée S300, elle est moins lumineuse que les autres, mais constitue une sonde de plus pour les chercheurs.
Pour atteindre ce niveau de détail sur une région située à 26 000 années-lumière de la Terre, les astronomes ont combiné quatre télescopes de 8,5 m chacun (les VLT, au Chili) pour en faire un « interféromètre », soit un système dont la résolution est équivalente à celle d’un télescope de 130 m. Cet interféromètre, appelé GRAVITY, est entré en fonction en 2016 et avait déjà permis de valider certains aspects de la relativité générale, dont le fait que la lumière des étoiles est « étirée » vers les longueurs d’onde rouges par la force gravitationnelle.
Mais la collaboration GRAVITY, dirigée par l’Allemand Reinhard Genzel, dont les travaux sur Sagittarius A* lui ont valu un prix Nobel en 2020, a peaufiné sa technique pour gagner encore en précision. « Pour avoir une meilleure sensibilité et détecter des objets moins brillants, dont S300, nous avons utilisé un algorithme d’apprentissage automatique appelé “théorie des champs d’information” », indique Julia Stadler. Cette technique permet de modéliser les sources que GRAVITY sait repérer et de comparer cette simulation avec les observations réelles, histoire d’affiner les analyses d’images. « Nous avons aussi conçu cet algorithme pour nous aider à gérer la grande variabilité de Sagittarius A* », note-t-elle. Car ce dernier lâche aléatoirement des « bouffées » de rayons X et d’ondes radio qui perturbent tout le voisinage.
Caractère impétueux
Cette variabilité fait justement l’objet de recherches poussées par la spécialiste des trous noirs Daryl Haggard, de l’Université McGill. Dans un article publié début 2022, son équipe a passé en revue 15 ans de données pour conclure que « notre » trou noir était à la fois instable d’une journée à l’autre et imprévisible à long terme. Après une accalmie entre 2008 et 2012, les émissions de rayons X ont repris de plus belle depuis 2017. Les mécanismes derrière ces sursauts énergétiques ne sont pas encore élucidés. Il pourrait s’agir de distorsions du champ magnétique ou encore de corps qui sont déchirés par le trou noir.
Une chose est sûre : cette inconstance complique la tâche des chercheurs, notamment ceux du consortium Event Horizon Telescope (EHT), un réseau de huit radiotélescopes répartis sur la planète qui est parvenu en 2019 à « photographier » un autre trou noir supermassif, au cœur de la galaxie M87. On parle ici de l’image des photons émis par la matière et les gaz qui orbitent autour du trou noir, car l’astre lui-même ne renvoie aucune lumière. Sagittarius A* est leur deuxième cible, mais il rechigne à se faire tirer le portrait. « La variabilité est un gros défi : les images peuvent varier après quelques dizaines de minutes, alors que nous essayons de prendre une photo sur plusieurs heures », confie Geoffrey Bower, qui fait partie des 300 chercheurs de l’EHT.
L’autre obstacle : les gaz ionisés qui se trouvent dans l’axe du centre galactique et qui floutent l’image. « Cette diffusion est très forte. Nous avons dû mettre au point des techniques pour limiter cet effet et nous devons comprendre comment elles influent sur nos résultats. Nous sommes prudents, mais l’image devrait être publiée en 2022 », ajoute l’expert de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique de Taiwan. Sagittarius A* s’apprête donc à sortir de l’ombre.
