GRAVITY+ repousse les limites et révèle une étoile record
Depuis de nombreuses années, un programme d’observation systématique, auquel participe l’équipe du LIRA, vise à cartographier avec une précision toujours croissante les environs de Sagittarius A* (Sgr A*), le trou noir supermassif de 4,3 millions de masses solaires situé au centre de notre Galaxie. Le LIRA a notamment contribué à la conception de GRAVITY, qui combine la lumière des quatre télescopes géants du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO, au Chili. L’instrument a permis d’observer avec une précision inédite le ballet effréné des étoiles autour de Sgr A*. Parmi elles, S29 détenait jusqu’alors le record de vitesse, atteignant près de 8 740 km/s, soit 3 % de la vitesse de la lumière, lors de son passage au plus près du trou noir. À titre de comparaison, la Terre orbite autour du Soleil à seulement 29,8 km/s.
A mesure que les techniques d’observation progressent, les astronomes parviennent à distinguer des étoiles toujours plus faibles et plus proches du trou noir. GRAVITY évolue ainsi pour devenir GRAVITY+, une version considérablement améliorée à laquelle le LIRA contribue activement. De nouveaux systèmes d’optique adaptative, des étoiles guides laser et de nouvelles méthodes d’analyse des données permettent de repousser encore les limites de l’instrument. C’est ainsi qu’au printemps 2023 est apparue une étoile jusque-là invisible : S301 (cf. Figure 1). En suivant son orbite, les scientifiques ont découvert qu’elle pulvérise le précédent record de S29, atteignant 25 000 km/s, près de trois fois plus vite. Une découverte qui illustre directement comment l’amélioration continue des techniques d’observation permet de révéler des astres jusqu’alors hors de notre portée.
Et S301 cumule les records. Elle effectue une révolution autour du trou noir en seulement 8,7 ans, sur une orbite très elliptique qui l’amène, au plus près, à seulement 12 unités astronomiques de Sgr A* — à peu près la distance séparant le Soleil de Saturne. Elle devient ainsi l’étoile connue à la période orbitale la plus courte et à l’orbite la plus serrée autour du centre galactique, passant dix fois plus près du trou noir que la meilleure étoile connue jusque-là. Un exploit d’autant plus remarquable que S301 brille deux milliards de fois moins que Bételgeuse, au milieu d’une région où les sources lumineuses se confondent presque. Extraire son signal revient à entendre le bourdonnement d’une mouche au milieu d’un orchestre symphonique ! Elle a pourtant pu être distinguée de ses voisines à quelques millisecondes d’angle seulement : une précision qui permettrait, depuis la Terre, de distinguer sur la Lune un objet de la taille du module lunaire des missions Apollo.
« La découverte de S301 n’est pas un hasard. Il s’agit du fruit d’un travail de longue haleine », dit Thibaut Paumard, co-investigateur du projet GRAVITY+ et directeur adjoint du LIRA, « avec le développement de plusieurs systèmes d’optique adaptative dès les années 1990, l’instrument GRAVITY arrivé sur le ciel en 2017 après plus de dix ans de développement, puis sa mise à jour GRAVITY+ en 2024 et bientôt MICADO, également en cours de développement depuis plusieurs années. En parallèle, nous développons également les outils numériques qui permettent de confronter les données d’observation aux prédictions théoriques, par exemple le logiciel de calcul de trajectoires et d’effets de lentille gravitationnelle Gyoto. »
S301 ouvre la voie à la première mesure de la rotation d’un trou noir
Suivre une étoile aussi proche de Sagittarius A* constitue un véritable défi technique, mais aussi une occasion unique de tester la relativité générale dans l’un des environnements gravitationnels les plus extrêmes de notre Galaxie. Pour déterminer l’orbite de S301, les scientifiques ont analysé plusieurs années d’observations afin de suivre précisément sa position. Sa proximité avec le trou noir change considérablement la donne :
« Sans cette étoile, il faudrait mesurer l’orbite des autres étoiles pendant encore plusieurs décennies pour espérer détecter un effet dû à la rotation de Sagittarius A* », explique Juan Osorno, post-doctorant au LIRA.
Car autour d’un trou noir, les lois de Newton ne suffisent plus. L’orbite de S301 s’écarte progressivement de l’ellipse qu’elles prédisent, révélant les effets de la relativité générale (cf. Figure 2). Le premier, la précession de Schwarzschild, est provoqué par la courbure de l’espace-temps sous l’effet de la masse du trou noir : à chaque révolution, le point où l’étoile passe au plus près de Sgr A* se décale légèrement, dessinant peu à peu une sorte de rosette. Cet effet a déjà été observé avec l’étoile S2. Mais en s’aventurant beaucoup plus près du trou noir, S301 devient sensible à un second phénomène, bien plus subtil : la précession de Lense-Thirring, provoquée cette fois par la rotation — ou spin — du trou noir (cf. Figure 3).
« Ce que je trouve particulièrement fascinant avec S301, c’est qu’elle nous donne enfin une chance d’observer directement un effet lié à la rotation d’un trou noir. Un trou noir en rotation ne se contente pas de déformer l’espace et le temps autour de lui : il les entraîne littéralement dans sa rotation. Cet effet, appelé précession de Lense-Thirring, est extrêmement faible et n’a encore jamais été mesuré autour d’un trou noir. S301 passe suffisamment près de Sagittarius A* pour que cette infime déformation de l’espace-temps puisse laisser une trace mesurable dans son orbite. En continuant à suivre cette étoile au cours des prochaines années, nous pourrions donc utiliser son mouvement comme un instrument pour mesurer la rotation du trou noir au centre de notre Galaxie, explique Abd El Dayem Karim, ancien doctorant du LIRA. »
S301, un nouveau laboratoire de la relativité générale
Contrairement au gaz chaud observé autour d’autres trous noirs, comme celui de M87 imagé par l’Event Horizon Telescope, S301 offre un avantage précieux : son mouvement peut être suivi directement. En combinant les mesures extrêmement précises de sa position obtenues avec GRAVITY+ et celles de sa vitesse radiale réalisées avec MICADO, futur instrument de l’Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO, les scientifiques pourront reconstruire son mouvement en trois dimensions et ainsi mesurer directement la rotation de Sgr A*.
Mais pour y parvenir, il faudra démêler plusieurs effets susceptibles de perturber son orbite.
« L’effet produit par le spin sur le mouvement de l’étoile S301 est similaire à celui engendré par la présence d’un disque — c’est-à-dire une distribution aplatie — de matière non lumineuse susceptible de résider autour du trou noir supermassif Sgr A*. Il faudra donc déterminer les deux effets en même temps, ce qui ouvre la possibilité de mieux comprendre l’environnement entourant Sgr A* en mesurant la masse non lumineuse qui l’entoure », explique Arianna Foschi, post-doctorante au LIRA. »
La difficulté devient ainsi une opportunité : S301 pourrait à la fois révéler la rotation du trou noir et sonder la matière invisible qui l’entoure.
À plus long terme, l’ambition est d’aller encore plus loin en mettant à l’épreuve la métrique de Kerr, qui décrit l’espace-temps autour d’un trou noir en rotation.
« La relativité générale prédit qu’un trou noir est complètement décrit par uniquement deux paramètres : sa masse et son spin », explique Frédéric Vincent, chargé de recherche au LIRA. « Ce résultat fondamental est appelé théorème d’absence de chevelure (la “chevelure” symbolisant la complexité absente de l’objet trou noir). L’étoile S301 va nous permettre de déterminer si le trou noir est déformé par sa rotation, à la manière de l’aplatissement de la Terre dû à sa rotation. Cette déformation, si elle existe, doit s’exprimer en fonction des deux paramètres de masse et de spin, d’après le théorème d’absence de chevelure. Vérifier cette prédiction de la relativité générale constituerait un test majeur de notre compréhension de la gravitation dans son régime le plus extrême. »
Et les perspectives dépassent déjà S301 et le centre de notre Galaxie.
Ce nouveau résultat obtenu avec GRAVITY sur notre centre galactique montre la puissance de la technique interférométrique à longue base qui atteint sa pleine maturité avec l’instrument sur le VLTI », souligne Guy Perrin, astronome à l’Observatoire de Paris et co-investigateur du projet GRAVITY. « Dans sa version GRAVITY+, GRAVITY va pouvoir élargir le champ des possibles et s’intéresser à un très grand nombre de trous noirs supermassifs. Il ouvre aussi de nouveaux horizons pour de futurs instruments à bien plus longue base dont le pouvoir de résolution sera encore plus important avec le potentiel d’atteindre des échelles aujourd’hui inaccessibles, comme l’a fait GRAVITY il y a plus de vingt ans.
