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Regardez les étoiles se déplacer autour du trou noir supermassif de la Voie Lactée avec les images les plus résolues à ce jour
Communiqué de presse ESO
Le Very Large Telescope en mode interféromètre de l’Observatoire Européen Austral (VLTI de l’ESO) a obtenu les images les plus détaillées et les plus nettes à ce jour de la région entourant le trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Les nouvelles images permettent de zoomer 20 fois plus que ce qui était possible avant le VLTI et ont aidé les astronomes à trouver une étoile jamais observée auparavant à proximité du trou noir. En suivant les orbites des étoiles au centre de notre Voie Lactée, l’équipe a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse du trou noir.
Cette vue à champ large dans le domaine visible montre les riches amas d’étoiles qui peuplent la constellation du Sagittaire dans la direction du centre de notre galaxie, la Voie Lactée. La totalité de l’image est emplie de très nombreuses étoiles – bon nombre d’entre elles toutefois sont masquées par des nuages de poussière et ne révèlent leur présence que dans le domaine infrarouge. Cette vue a été constituée à partir de photographies acquises dans les longueurs d’onde rouge et bleue issues du Digitized Sky Survey 2. Le champ de vue est voisin de 3,5 degrés x 3,6 degrés. © ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment : Davide De Martin and S. Guisard
"Nous voulons en savoir plus sur le trou noir situé au centre de la Voie lactée, Sagittarius A* : Quelle est sa masse exacte ? Tourne-t-il ? Les étoiles qui l’entourent se comportent-elles exactement comme nous l’attendons de la théorie générale de la relativité d’Einstein ? La meilleure façon de répondre à ces questions est de suivre les étoiles sur des orbites proches du trou noir supermassif. Et nous démontrons ici que nous pouvons le faire avec une précision inégalée", explique Reinhard Genzel, directeur de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) à Garching, en Allemagne, qui a reçu le prix Nobel en 2020 pour ses recherches sur Sagittarius A*. Les derniers résultats de Reinhard Genzel et de son équipe, qui s’appuient sur l’étude qu’ils mènent depuis trois décennies sur les étoiles en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie Lactée, sont publiés aujourd’hui dans deux articles de la revue Astronomy & Astrophysics.
Dans le but de trouver encore plus d’étoiles à proximité du trou noir, l’équipe, connue sous le nom de collaboration GRAVITY, a mis au point une nouvelle technique d’analyse qui lui a permis d’obtenir les images les plus détaillées et les plus nettes de notre centre galactique. "Le VLTI nous donne cette incroyable résolution spatiale et, avec les nouvelles images, nous atteignons une profondeur jamais atteinte auparavant. Nous sommes stupéfaits par leur quantité de détails, ainsi que par l’action et le nombre d’étoiles qu’elles révèlent autour du trou noir", explique Julia Stadler, chercheuse à l’Institut Max Planck d’astrophysique de Garching, qui a dirigé les opérations d’imagerie de l’équipe pendant son séjour au MPE. Fait remarquable, ils ont trouvé une étoile, appelée S300, qui n’avait jamais été repérée auparavant, ce qui montre à quel point cette méthode est puissante lorsqu’il s’agit de repérer des objets très peu lumineux à proximité de Sagittarius A*.
Ces images annotées, obtenues avec l’instrument GRAVITY sur le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) de l’ESO entre mars et juillet 2021, montrent des étoiles orbitant très près de Sgr A*, le trou noir supermassif au cœur de la Voie Lactée. L’une de ces étoiles, nommée S29, a été observée alors qu’elle effectuait son passage le plus proche du trou noir à 13 milliards de kilomètres, soit à peine 90 fois la distance entre le Soleil et la Terre. Une autre étoile, nommée S300, a été détectée pour la première fois dans les nouvelles observations du VLTI.
Pour obtenir ces nouvelles images, les astronomes ont utilisé une technique d’apprentissage automatique, appelée théorie des champs d’information. Ils ont créé un modèle de l’apparence des sources réelles, simulé la façon dont GRAVITY les verrait et comparé cette simulation aux observations de GRAVITY. Cela leur a permis de trouver et de suivre les étoiles autour de Sagittarius A* avec une profondeur et une précision sans précédent.
© ESO/GRAVITY collaboration
Avec leurs dernières observations, réalisées entre mars et juillet 2021, l’équipe s’est attachée à effectuer des mesures précises des étoiles lorsqu’elles s’approchaient du trou noir. Parmi elles, l’étoile S29, qui détient le record de l’étoile qui s’est approchée le plus près du trou noir à la fin du mois de mai 2021. Elle est passée à une distance de seulement 13 milliards de kilomètres du trou noir, soit environ 90 fois la distance Soleil-Terre, à la vitesse stupéfiante de 8740 kilomètres par seconde. Aucune autre étoile n’a jamais été observée en train de passer aussi près du trou noir ou de le contourner aussi rapidement.
Les mesures et les images de l’équipe ont été rendues possibles grâce à GRAVITY, un instrument unique que la collaboration a développé pour le VLTI de l’ESO, situé au Chili. GRAVITY combine la lumière des quatre télescopes de 8,2 mètres du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO en utilisant une technique appelée interférométrie. Cette technique est complexe, "mais au final, on obtient des images 20 fois plus nettes que celles provenant des télescopes du VLT individuellement, révélant ainsi les secrets du centre galactique", explique Frank Eisenhauer du MPE, chercheur principal de GRAVITY.
"Suivre les étoiles sur des orbites rapprochées autour de Sagittarius A* nous permet de sonder avec précision le champ gravitationnel autour du trou noir massif le plus proche de la Terre, de tester la relativité générale et de déterminer les propriétés du trou noir", explique Reinhard Genzel. Les nouvelles observations, combinées aux données antérieures de l’équipe, confirment que les étoiles suivent exactement les trajectoires prédites par la relativité générale pour des objets se déplaçant autour d’un trou noir d’une masse de 4,30 millions de fois celle du Soleil. Il s’agit de l’estimation la plus précise à ce jour de la masse du trou noir central de la Voie Lactée. Les chercheurs ont également réussi à affiner la distance de Sagittarius A*, qui se trouve à 27 000 années-lumière de la Terre.
Pour obtenir ces nouvelles images, les astronomes ont utilisé une technique d’apprentissage automatique, appelée théorie des champs d’information. Ils ont créé un modèle de l’apparence des sources réelles, simulé la façon dont GRAVITY les verrait et comparé cette simulation aux observations de GRAVITY. Cela leur a permis de trouver et de suivre les étoiles autour de Sagittarius A* avec une profondeur et une précision inégalées. En plus des observations GRAVITY, l’équipe a également utilisé les données de NACO et SINFONI, deux anciens instruments du VLT, ainsi que des mesures de l’observatoire Keck et de l’observatoire Gemini du NOIRLab aux États-Unis.
GRAVITY sera mis à jour dans le courant de la décennie pour devenir GRAVITY+, qui sera également installé sur le VLTI de l’ESO et poussera encore plus loin la sensibilité pour révéler des étoiles moins lumineuses encore plus proches du trou noir. L’équipe a pour objectif de trouver des étoiles si proches que leurs orbites ressentiront les effets gravitationnels causés par la rotation du trou noir. Le prochain Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO, en cours de construction dans le désert chilien d’Atacama, permettra en outre à l’équipe de mesurer la vitesse de ces étoiles avec une très grande précision. "Grâce à la puissance combinée de GRAVITY+ et de l’ELT, nous serons en mesure de déterminer à quelle vitesse le trou noir tourne", explique Frank Eisenhauer. "Personne n’a été en mesure de le faire jusqu’à présent".
Références
- R. Abuter, A. Amorim, M. Bauböck, J. P. Berger, H. Bonnet, G. Bourdarot et al. The mass distribution in the Galactic Centre from interferometric astrometry of multiple stellar orbits in Astronomy & Astrophysics
DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142465 - R. Abuter, P. Arras, M. Bauböck, H. Bonnet, W. Brandner, G. Bourdarot et al. Deep images of the Galactic Center with GRAVITY in Astronomy & Astrophysics
DOI https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142459