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Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

Simulation de l'image du trou noir supermassif Sgr A* et de son disque d'accrétion que pourrait observer les astronomes grâce à l'installation VLBI de l'Event Horizon Telescope. Document extrait de A.Broderick et A.Loeb (2009).

A la recherche du trou noir galactique (I)

A 8.33 kpc (27156 a.l.) du système solaire, au coeur même de la Voie Lactée, une région couvrant 30 pc (100 a.l.) fait preuve d'une activité très exotique.

Dans un espace réduit à 0.3° d’arc se trouve cinq sources étendues de rayonnement intense dont l'une est baptisé "Sagittarius A", alias Sgr A. Elle se divise en deux composantes, Sgr A East et Sgr A West. La première zone s'étend sur 3' (8 pc) et présente un spectre non thermique vraisemblablement entretenu par le rayonnement de supernovae. Sgr A West est plus petite (2 pc). Au centre de cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière !

Comme on le voit ci-dessous, sa cartographie en proche infrarouge (2.2 et 10 mm) a permis d'y déceler une vingtaine de sources d'émissions dont certaines éjectent des filaments longs d'une centaine d'années-lumière. Cet environnement est vraiment très suspect et suscita l’intérêt de nombreux chercheurs.

La source présentant le comportement le plus étrange est un objet ponctuel baptisé Sgr A*, l'astérisque rappelant qu'il s'agit d'un objet de taille stellaire. Il se situe exactement aux coordonnées équatoriales : 17h 45m 40.03599s d'ascension droite et -29° 00′ 28.1699″ de déclinaison.

A l'intérieur du parsec central, les étoiles jouent un rôle gravitationnel primordial. Dans cette région les étoiles sont tellement proches les unes des autres que les collisions, y compris des effets de marées gravitationnelles sont suffisamment fréquents pour éjecter dans le milieu interstellaire d'énormes quantités de gaz.

Cette région contient 3 sources très intenses, IRS7, IRS11 et IRS16 qui couvrent une surface de moins de 20" d'arc. L'une d'elles, IRS16 considérée tout un temps comme le centre de la Voie Lactée, se trouve à environ 1" (0.04 pc) à l'Est de Sgr A* et couvre 3 années-lumière. Elle représente une masse d'environ 10 millions de soleils. Elle émet un rayonnement radioélectrique thermique, typique des régions HII.

IRS16 a été résolue en une vingtaine de composantes compactes. Il s'agirait d'un jeune amas d'étoiles contenant soit des étoiles superbleues géantes soit des étoiles proche du stade Wolf-Rayet en train de perdre leur masse (jusqu'à 10-4 M/an) en libérant des gaz à la vitesse prodigieuse de quelque 1000 km/s (3.6 millions de km/h).

Le coeur de la Voie Lactée

Ci-dessus à gauche, la croix indique le centre de la Galaxie. Contrairement aux apparences c'est une région excessivement peuplée mais que des nuages de poussières nous empêchent de voir. Non loin de là, l'étoile IRS8 a été éjectée à plusieurs centaines de km/s suite à une perturbation invisible, probablement une interaction avec le trou noir supermassif situé au centre de la Voie Lactée, au coeur de la source Sgr A*, créant devant elle une gigantesque onde de choc. Au centre, une vue générale réalisée à 21 cm de longueur d'onde de la source Sgr A* et du rémanent de supernova qui l'entoure formant une bulle. A droite, une image haute résolution réalisée par interférométrie VLBI. Le point central blanc est la source Sgr A* (en rouge sur l'image du centre). Cet objet de forme oblonge dans le sens N-S mesure 1 UA x 3.6 UA. Documents Gemini North, VLA et NRAO.

Au centre de cette région, le plasma est porté à 35000 K et le rayonnement devient non thermique, irradiant l’espace de rayons cosmiques sur lesquels se superpose un effet synchrotron provoqué par d’intenses champs magnétiques. Les filaments de plasma chauds découverts dans cette zone ont été corroborés par les observations radios du réseau interférométrique Karl Jansky (ex-VLA).

On a ainsi découvert une structure connue sous le nom d'"éperon galactique". Elle s'étend sur plus de 60 pc et est constituée de filaments magnétiques parallèles entourés de matière ionisée[1]. Son origine n’est pas encore élucidée mais les dernières études indiquent qu'il est vraisemblablement lié à la présence de ce trou noir galactique supermassif.

Sgr A West et Sgr A East

A gauche, la source Sgr A West observée à 6 cm de longueur d'onde par le VLA met en évidence le gaz ionisé par les étoiles jeunes et chaudes. Dans cette structure s'agglomère quelque 5 millions d'étoiles sur 3 années-lumière ! Noter la forme en spirale que prend le gaz. On suppose qu'il s'engouffre vers un objet massif et compact, peut-être le trou noir qui se cache au centre. Au centre, le coeur de la structure observé en rayons X par le satellite Chandra présente de temps en temps des éruptions qui durent environ 3 heures (taches blanches) puis la luminosité retombe à son intensité antérieur. Ces phénomènes témoignent de l'existence d'un rayonnement d'origine non thermique probablement émis par un gaz chaud porté à très haute température suite à son interaction avec un corps massif et compact. Les astrophysiciens pensent qu'un trou noir situé au centre de cette structure serait responsable de ces manifestations. Etant donné le comportement de cette émission les astrophysiciens estiment que l'émetteur ne devait pas mesurer plus de la distance qui nous sépare du Soleil, soit 1 UA. A droite, des filaments s'écartent du disque nucléaire perpendiculairement au plan galactique sur 20" (~1 pc ou 3.26 a.l) tandis qu'un halo lumineux de 8' (80 a.l.) entoure Sgr A East. Document VLA réalisés à 21 cm de longueur d'onde et Chandra/NASA/MIT/F.Baganoff et al.

Au coeur de Sgr A*

Au coeur de Sgr A*, les astronomes de la NASA ont découvert une structure de 10 pc de diamètre dont la partie centrale s'est évaporée. Cette région émet un rayonnement ultraviolet intense et des particules animées de vitesses relativistes.

Grâce au réseau de radiotélescopes Karl Jansky, c'est dans cette cavité centrale que les radioastronomes ont découvert la petite structure spiralée schématisée ci-dessous à droite, dont les deux bras semblent s'étendre à partir d'un nuage de gaz et de poussières d’environ 1 pc de rayon. Le bras nord de la structure en spirale émet un rayonnement intense et continu entre 20-300 microns. Ce rayonnement est induit par des grains de poussière portés entre 50 et 100 K. Le parsec central dans lequel se trouve la source Sgr A* brille avec une luminosité estimée entre 10 et 20 millions de fois celle du Soleil !

Le centre de la Voie Lactée observé à 2.2 microns par le CFHT également muni d'une optique adaptative. La résolution atteint 0.19". L'image couvre un champ de 20" x 20" et large d'environ 2 années-lumière. Sur la légende on reconnaît Sgr A* près des lettres "SW" et la source IRS 16. Cette région abrite un trou noir supermassif de 3.6 à 4 millions de masses solaires. A droite du centre, représentation schématique des différentes composantes dans les 10 pc centraux autour du centre Galactique. La zone bleue représente la région diffuse la plus ionisée comprenant la cavité centrale (CC), le rémanent de supernova Sgr A East (SNR) et le halo radio. La zone rouge représente les régions moléculaires les plus denses, comprenant l'anneau circumnucléaire (CNR), le nuage M Sud (SC) ou nuage "20 km/s", le nuage M Est (EC) ou nuage "50 km/s", la crête moléculaire (MR), le courant sud (SS), le courant ouest (WS) et la crête Nord (NR). La position de Sgr A* est indiquée par le signe + au centrale du disque incliné au coeur duquel se trouve le trou noir supermassif. Documents National Research Lab Navy et K.Ferrière. A droite, simulation de l'image en fausses couleurs du trou noir supermassif Sgr A* (modèle MBQ) que pourrait observer les astronomes grâce à l'installation VLBI de l'Event Horizon Telescope. Document extrait de A.Ricarte et J.Dexter (2014).

Les astronomes savent aujourd'hui que la structure en spirale représente son disque d'accrétion. On suppose que la matière s'engouffre en spirale vers cet objet massif et compact, ce qui provoque les effets dynamiques et relativistes que l'on constate. A l'heure actuelle les astronomes ne peuvent s'expliquer l'origine de cette cavité centrale ni sa persistance dans une région si chaotique sans invoquer un trou noir supermassif[2] dont la masse est d'environ 3.6 à 4 millions de masses solaires.

Par ailleurs, on a découvert que le disque d'accrétion entourant le trou noir de Sgr A* produisait des étoiles massives. Or tous les astronomes considèrent généralement qu'un disque protostellaire ne peut pas résister aux forces de marée engendrées par un trou noir et devrait se disperser au lieu de s'effondrer sur lui-même. C'est pourtant ce qu'on observe autour de Sgr A*. Il semblerait que la gravité régnant dans le disque de poussière soit suffisante pour vaincre les forces de marée du trou noir. Ce disque est très massif et contient des millions de masses solaires.

Au coeur de Sgr A*. A gauche, cette image en couleurs représnetatives réalisée en 2005 par l'observatoire orbital rayon X Chandra révèle les émissions X de relativement faibles énergies de la région entourant Sagittarius A*, le trou noir qui se situe au centre de la Voie Lactée (rouge = 2-3.3 keV, vert=3.3-4.7 keV, bleue=4.7-8 keV). L'image couvre un champ large de 5.6". Cette région produit des étoiles massives qui se forment à partir de l'immense disque de gaz qui entoure Sgr A*. Paradoxalement, selon le modèle standard de formation stellaire, les nuages de gaz formant les étoiles doivent être déchiquetés par les forces de marées engendrées par le trou noir supermassif. Dans ce cas-ci la gravité régnant dans le disque dense de poussière entourant Sgr A* résiste aux forces de marées du trou noir. Ces forces antagonistes favorisent même la formation d'un taux d'étoile supérieur à la normale. A droite, un autre schéma du noyau Galactique et de Sgr A*. Cette zone contient un disque central d'environ 10 pc dans lequel on a découvert la source IRS16 ainsi qu'une structure radio en spirale entourant une cavité pratiquement vide de poussière. Voir le texte pour les explications. Documents Chandra et T.Lombry adapté d'un document du Max-Planck Institute.

Parmi les autre indices de l'existence du trou noir supermassif, le réseau Karl Jansky a mis en évidence que Sgr A*, proche de IRS16 est tellement turbulent que les vents stellaires soufflent à 1500 km/s, étirant l'atmosphère de l'une des étoiles sur plus de 0.5 a.l., créant un véritable cataclysme cosmique !

Non loin de là, sur une distance d’environ deux années-lumière, les vents stellaires sont accélérés, passant de 150 à plus de 700 km/s. A côté de cela, Sgr A* présente une remarquable stabilité; il n'a pas subi le moindre déplacement en sept ans d'observation[3].

C'est pourquoi certains astrophysiciens ont suggéré que de tels effets ne pouvaient être provoqués que par un objet massif et ponctuel de 107 M contenu dans IRS16 elle-même et dont l’influence s’étend sur environ 2 pc. Mais le spectre[4] de Sgr A* ne coïncide pas avec celui de IRS16 et ni l’un ni l’autre ne présentent les fameuses émissions X et gamma caractéristiques de l’interaction du milieu avec un trou noir.

Image rayons X en couleurs représentatives de la région de Sgr A* prise en 2005 par Chandra. Les zones d'éruptions X observées en 2004 et 2005 sont indiquées par les ellipses. L'agrandissement couvre un champ de 12.5'x12.5'. Document Chandra

Les sources de rayonnement X et gamma

Venons-en à présent à l'identification des différentes sources de rayonnement X et gamma afin de déterminer si elles sont ou non en relation avec le trou noir supermassif que nous recherchons.

La plupart des objets que les astronomes ont observé dans la région de 10' d'arc autour de SgrA* émettent très peu de radiations thermiques alors que le disque d'accrétion d'un trou noir devrait fortement émettre dans le proche infrarouge. L'explosion des étoiles ou des corps rocheux devrait également produire des sursauts d'éclats bien visibles.

En revanche, comme on le voit sur la photo en rayonnement X présentée à droite, des zones précises plus ou ou moins compactes ou étendues sont plongées dans un important rayonnement X. Si certaines correspondent à des étoiles, d'autres zones brillantes représentent les effets d'une interaction avec des corps massifs. On y reviendra.

Selon l’astrophysicien A.Goldwurm[5] et ses collègues du CEA de Saclay, les émissions X détectées à proximité de Sgr A* sont émise par un autre astre que le trou noir car Sgr A* n’émet pas fortement, et rarement au-dessus de 30 keV. En effet, la luminosité des rayons X durs de Sgr A* est 40 millions de fois plus faible que la valeur estimée du disque d'accrétion d'un trou noir d'un million de masses solaires. Les astronomes ont donc essayé d'identifier toutes les sources X aux alentours de Sgr A* et de mesurer leur intensité.[6]

Parmi les 60 sources de rayonnements X identifiées par le satellite SIGMA entre 1990 et 1993, seule GRS 1716-249 a été détectée[7] à 175.8 ±3.3 keV et présente un spectre similaire à celui de Cygnus X-1, le candidat au titre de trou noir le plus populaire. Les autres sources atteignant 35 keV sont probablement associées à des étoiles neutrons binaires et des pulsars X.

Ces études ont permis de découvrir des objets singuliers ainsi que de cartographier cette région très particulière de la Voie Lactée. Finalement, après des dizaines d'années de recherches, le travail des astronomes a porté ses fruits. Voyons quelques étapes de leurs découvertes.

Le rayonnement X d'une galaxie

et le trou noir GRS 1915+105

A gauche, représentation des éruptions de rayonnement X émises par une galaxie (QT de 2.2 MB préparé par Chandra). A droite, animation du trou noir de GRS 1915+105 (MOV de 6 MB préparé par le CfA/U.Harvard)

GRS 1915+105

La source GRS 1915+105 alias V1487 Aquila reste un candidat galactique très sérieux. Située à 36000 a.l., il s'agit d'une nova X de classe spectrale K/M III qui connut un sursaut d'éclat en 1992. Cette étoile perd son atmosphère au profit d’un minuscule objet très massif, vraisemblablement un trou noir de 14 M, dont l’horizon des évènements, c’est-à-dire la limite de Schwarzschild ne devrait pas dépasser 15 km de diamètre.

Cette source également classée parmi les microquasars émet un jet de particules ainsi que des bulles de matière condensée à une vitesse de l'ordre de 92% de celle de la lumière provoquant des effets relativistes sur le rayonnement : les bulles semblent se déplacer deux fois plus vite que la lumière ! Ces bulles sont éjectées à plus de 10000 UA ou 1". La source est tellement massif qu'elle arrache également de la matière de l'étoile voisine.

A gauche, GRS 1915+105 est une Nova X probablement en orbite autour d'un trou noir de 14 masses solaires. Elle éjecte des bulles de matière à plus de 10000 UA de distance (57 jours-lumière) en l'espace d'un mois, soit à la vitesse apparente de 2c ! A droite, une représentation du système. Documents NRAO/CEA et T.Lombry.

Le Grand Annihilateur

Une autre source gamma très intense a été observée en 1990 à 300 années-lumière du centre géométrique de la Voie Lactée, c'est le "Grand Annihilateur", un microquasar du nom de code 1E 1740.7-2942. Banale source X du catalogue Einstein qui fit un premier recensement des sources X du ciel (remplacé par le catalogue Einstein2E en 1996), elle présente un tout autre tempérament en rayonnement gamma. Observée durant près de 2 ans par les satellites SIGMA franco-russe et CGRO américain, cette région témoigne de l'annihilation de particules et d'antiparticules en émettant des photons gamma d’une énergie de 0.511 et 1.81 MeV[8]

Ce rayonnement caractéristique proviendrait du disque de plasma qui circulerait autour d'un petit trou noir, au sein duquel la matière serait annihilée dans une profusion d'énergie, d’une puissance équivalent à 2x1030 watts ! L’astronome Jacques Paul[9] du CEA de Saclay a comparé son éclat en lumière gamma à une puissance "telle que chaque millimètre carré de sa surface doit déchaîner une puissance dix mille fois supérieure à celle d'une centrale nucléaire" de mille mégawatts.

Par ailleurs, grâce au réseau Karl Jansky les radioastronomes ont découvert deux jets de plasma s'échappant de l'objet central, comme s'ils étaient émis par la le disque interne d'accrétion. Mais parmi ces rayonnements arrachés à la matière, il manque les intenses émissions X durs et le spectre gamma si caractéristiques de l'interaction du trou noir avec son environnement. De plus il est trop loin de Sgr A* ou des sources gamma GRS pour subir leur influence. S'il s'agit d'un trou noir, il n'a rien à voir avec ces structures.

La source 1E 1740.7-2942 est l'objet le plus brillant situé au centre de l'image de gauche représentant le centre galactique observé par le satellite SIGMA entre 1990 et 1993. Le rayonnement est émis dans la fourchette 35-75 keV et est probablement associé à une étoile binaire. A droite, ses fluctuations lumineuses en un peu plus de deux ans. A comparer avec la courbe lumineuse de Sgr A. Document CEA et M.GRAIG.

Cela dit, si certains objets n'ont rien à voir avec le trou noir prédit recherché, il pourrait se trouver dans le parsec central caché par IRS16.

Le complexe stellaire IRS16

Dans un espace de 4” d’arc, le complexe stellaire IRS16 est seul responsable de l’ionisation de la matière sur environ 1 parsec. Si les sources qu’il contient sont constituées d’étoiles bleues de magnitude 8 approchant 35000 K riches en HeI, il dispose de la luminosité requise et peut correspondre à l’objet que nous cherchons.

Si le champ gravitationnel d’IRS16 ne correspond pas exactement aux effets de marée constatés, pas plus qu’avec la densité des nuages protostellaires présents autour de lui, il ne semble accepter aucune autre alternative que le trou noir.

Le traitement informatique des images infrarouges du satellite IRAS a permis aux astronomes de découvrir que la source IRS16 était en réalité constituée de 24 sources distinctes, la plupart formant de petits amas d’étoiles brillantes de type spectral B0; IRS5 est un nuage protostellaire et la source IRS7 éloignée de quelques centaines d'années-lumière est une étoile supergéante. Le centre de notre Galaxie n'est donc pas uniquement constitué de vieilles étoiles et de poussières. Il continue à produire de nouvelles étoiles[10].

Ceci dit, en moyenne, la Voie Lactée ne produit que l'équivalent d'environ 1 M par an, ce qui est très peu comparé à d'autres galaxies, notamment celles résidant à 8 ou 10 milliards d'années-lumière qui sont jusqu'à 1000 fois plus productives.

A voir : Zoom into the Center of our Galaxy with Keck Observatory, Leo Meyer

IRS16 : la source d'énergie de Sgr A*

Spectre global de la source IRS16. En combinant les rapports de la structure fine de différentes raies spectroscopiques mesurées en infrarouge, la densité de flux des émissions radios et les flux des raies de recombinaison de l'hydrogène et de l'hélium, une analyse des états d'excitation du champ d'ionisation de la matière permet d'estimer la température de la région de Sgr A* à environ 35000 K. Il s'agit d'une région HII qui est faiblement excitée par le rayonnement stellaire.

D'autres indices relevés à partir des analyses du satellite ISO révèlent que cette région présente une métallicité deux fois supérieure à celle du Soleil.

En conclusion, si elle est si peu excitée mais brille comme au moins 10 millions de soleils, il faut trouver le mécanisme qui la rend aussi brillante. S'il ne s'agit pas d'un processus thermique, alors une interaction avec un trou noir situé au sein de la source IRS16 est une hypothèse plausible. Document Max-Planck Institute.

Le noyau garde également une activité stellaire à l'instar des bras de la Voie Lactée, on y trouve des régions HII et des étoiles supergéantes. Cette matière ne se concentre pas seulement dans Sgr A* mais également dans d'autres régions proches, telle Sgr B ou E situées également sur le disque incliné.

Jusqu'aux années 2000, malgré le regard aiguisé des télescopes spatiaux, la position des sources gamma était connue avec une incertitude qui restait supérieure à 0.3" d'arc pour Sgr A*. Il a donc fallu mettre en oeuvre les plus grands télescopes et leurs optiques adaptatives qui permettent d'atteindre une résolution 3 fois supérieure pour préciser la position de ce trou noir tant recherché.

Prochain chapitre

Les orbites des étoiles

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[1] D.Allen et R.Sanders, Nature, 319, 1986, p191.

[2] J.Lacy et al., Astrophysical Journal, 241, 1982, p132 - E.Becklin et al., Astrophysical Journal, 258, 1982, p135 - R.Ekers et al., Astronomy and Astrophysics, 122, 1983, p143 - K.Lo et M.Claussen, Nature, 306, 1983, p647 - L.Blitz et al., Nature, 361, 1993, p417.

[3] B.Balick et R.Brown, Astrophysical Journal, 194, 1974, p265.

[4] R.Genzel, A.Eckart et A.Krabbe (Max-Planck Institut für Extraterrestrische Physik, Garching), Annals of the New York Academy of Sciences, 7th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics and Cosmology, Vol. 759, Sept 30, 1995, "The Galactic Center" - R.Sunyaev et al., Astrophysical Journal, 425, 1994, p110 - N.Gehrels et J.Tueller, Astrophysical Journal, 407, 1993, p597 - M.Morris, “The Center of the Galaxy”, op.cit., Dordrecht, 1989 - R.Genzel et C.Townes, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 25, 1987, p377 - G.Skinner et al., Nature, 330, 1987, p544.

[5] A.Goldwurm et al., Nature, 371, 1994, p589 - J.Paul, “L’homme qui courait après son étoile”, op.cit.

[6] R.Brown et H.Liszt, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 22, 1984, p223 - J.Henry, Astrophysical Journal Letters, 285, 1984, L27 - D.Allen et R.Sanders, Nature, 319, 1986, p191.

[7] Circulaire UAI 5874 du 4 octobre 1993. Cette circulaire contient également le texte de l’équipe américaine qui découvrit le même objet quelques jours après l’équipe française. Il sera dénommé GRO J1719-24

[8] M.Leventhal et al., Astrophysical Journal Letters, ?, 1975, L14 - G.Riegler et al., Astrophysical Journal Letters, 248, 1981, L13 - W.Webber et al., Nature, 323, 1986, p692.

[9] J.Paul, “L’homme qui courait après son étoile”, op.cit., p244.

[10] J.Lacy et al., Astrophysical Journal, 262, 1982, p120 - M.Lebofsky et al., Astrophysical Journal, 263, 1982, p736 - T.Geballe et al., Astrophysical Journal, 284, 1984, p118.


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