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Le trou noir supermassif de la Voie Lactée

Orbites des étoiles gravitant autour du trou noir situé au centre de la Voie Lactée. Voici une image fixe préparée par les membres du Stanford Astronomy Program. Document MPE.

Les orbites des étoiles (II)

Finalement, c'est en 2012 que les astronomes ont apporté la preuve de l'existence du trou noir supermassif caché au coeur de la Voie Lactée.

En attendant d'observer un phénomène spectaculaire dans la région toute proche de Sgr A*, c'est-à-dire à moins de quelques jours-lumière ou même idéalement à quelques heures-lumière, quelques équipes d'astronomes ont recherché des étoiles en mouvements rapides ou des effets de lentilles gravitationnelles qui trahiraient l'influence du trou noir galactique et permettraient de le localiser.

Pour identifier ce trou noir supermassif, les astronomes ont utilisé toute la puissance des télescopes Keck de 10 m de diamètre. Comme on le voit à droite, ils ont découvert sept étoiles situées dans une minuscule région de 50 jours-lumière de rayon soit 1300 milliards de kilomètres. Cela correspond à un rayon d'un peu moins de 8700 UA soit trois fois plus petit que la distance qui sépare le Soleil de la banlieue du Nuage de Oort.

Dans un rayon de 10 jours-lumière autour de Sgr A*, ils ont découvert plusieurs étoiles (S1, S2, S8, etc) gravitant sur des orbites très excentriques et de toute évidence qui sont pertubées par un même objet compact et très massif dont elles sont prisonnières.

Andrea Ghez, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA et l'astronome Reinhard Genzel du MPE (qui travaille sur le sujet depuis au moins 1985) ont démontré indépendamment l'un de l'autre que c'est au centre de ces orbites que se situe le fameux trou noir Sgr A* tant recherché. Pour avoir prouvé l'existence de ce trou noir galactique, les deux astrophysiciens furent récompensés par le très prestigieux Prix Crafoord en 2012.

Selon Andra Ghez, en raison de la forte attraction que génère le trou noir, ces étoiles se déplacent à des vitesses oscillant entre 1000 et 4500 km/s, soit 16 millions de km/h ! Si leurs déplacement sont relativement lents lorsqu'elles sont à l'apoapse (ou apoapside, le point le plus éloigné du foyer de l'orbite), on constate qu'à mesure qu'elles s'approchent d'une zone bien précise de Sgr A*, leur course s'accélère pour atteindre un maximum au périapse (périapside, le point le plus proche du foyer de l'orbite), comme si un corps massif mais invisible les attirait puis les catapultait au loin dans un mouvement orbital incessant. Voilà où se trouve le trou noir supermassif de la Voie Lactée !

A voir : Simulation des trajectoires des étoiles en orbite autour de Sgr A*, ESO

Pourquoi l'Optique Adaptative (vidéo de l'ESPCI)

Grâce à l'optique adaptative installée sur les télescopes VLT, les astronomes ont pu localiser le trou noir supermassif situé au centre de la Galaxie, Sgr A*; il est au centre de l'orbite des étoiles entourant la cavité sombre sur l'image de gauche. La vitesse de réaction du calculateur temps-réel a également permis d'observer le flash d'une minute (point brillant sur la 3e image) qui s'est produit à l'instant où le trou noir absorba une quantité de matière équivalente à celle contenue dans tout le système solaire. Documents ESO.

La tâche actuelle des plus grands instruments (VLT et Subaru de 8.2 m, Keck de 10 m, GBT de 10.4 m, Karl Jansky ex-VLA de 27 antennes, ASKAP de 36 antennes, VLBI, ALMA, Chandra, etc.) consiste à localiser les sursauts d'éclats qui témoigneraient de l'éclatement d'une étoile lorsqu'elle franchirait le seuil de ce trou noir.

Aucun phénomène de ce genre ne fut détecté jusque fin 2011, renforçant l’idée que le noyau de la Voie lactée est peu énergétique. Sgr A* semble s'être assoupi depuis au moins 4 ou 6 millions d'années, époque à laquelle on pense qu'il avait transformé la Voie Lactée en quasar en émettant un jet puissant à l'origine de l'immense bulle de Fermi.

Simulations

Paramètres du trou noir

Dans un article publié en 2014, les astronomes Angelo Ricarte et Jason Dexter ont estimé la masse de Sgr A* à 4.31 millions de masses solaires dont l'essentiel se concentre dans le trou noir invisible. Aujourd'hui, la marge d'erreur sur la taille de ce trou noir est de l'ordre de 15%. Son diamètre (celui de son horizon des évènements ou de son ombre projetée sur le disque d'accrétion) est estimé à 10 millions de kilomètres, soit 7 fois la taille du Soleil ! A cette distance, cela correspond à un diamètre angulaire de 53 mas (53 millisecondes d'arc). La limite de Roche sous laquelle tout corps est disloqué par les forces de marée se trouve à 200 millions de kilomètres, soit plus loin que l'orbite de la Terre !

En attendant de pouvoir observer ce trou noir, de nombreux chercheurs ont tenté de simuler son aspect sous différents angles et à différentes fréquences, et en tenant également compte de la présence de gaz interstellaire sur la ligne de visée affectant la qualité des images. Quelques simulations sont présentées ci-dessous.

Simulation du trou noir supermassif Sgr A* tel que les astronomes pourraient l'observer grâce à l'installation VLBI comprenant notamment l'Event Horizon Telescope. Ci-dessus, l'image de gauche montre l'horizon des évènements du trou noir se découpant devant le disque d'accrétion composé de gaz porté à haute température. Au centre et à droite, des images similaires mais rendues floues par le gaz interstellaire sur la ligne de visée. Ci-dessous, aspect du trou noir à trois fréquences différentes selon le modèle a9MAD. Documents extrait de A.Broderick et A.Loeb (2009) et Chi-kwan Chan et al. (2014).

Passage de G2 au périapse

Découverte d'un nuage de gaz tombant sur Sgr A*

En décembre 2011, grâce au VLT, Reinhard Genzel et son équipe du MPE ont découvert un nuage de gaz compact baptisé "G2" d'une masse d'environ trois fois celle de la Terre en train de tomber dans la zone d'accrétion de Sgr A*.

Comme on le voit ci-dessous, en moins de dix ans, la vitesse de G2 est progressivement passée de 1000 à 2500 km/s en suivant une orbite fortement excentrique (e=0.966). Mi 2013, il atteignit le périapse, à 2200 rayons de Schwarzschild du trou noir, ce qui correspond à 40 milliards de kilomètres seulement de l'horizon des évènements du trou noir, soit environ 36 heures-lumière.

Suite à cet approche à "courte distance", on s'attendait à ce que G2 soit fortement perturbé et même mis en pièce au point que la grande partie de sa matière soit accrétée par Sgr A*. Cela devait temporairement donné lieu à une augmentation du taux d'accrétion et provoquer un sursaut d'éclat de Sgr A*. Mais à la place, aucun "feu d'artifice" n'est apparu et très peu de changement dans la luminosité de G2 après son passage au périapse.

A lire : Le repas d'un trou noir bientôt servi, ESO, 2011

L'évolution du nuage de gaz chaud "G2" proche de Sgr A* prouve qu'il suit une orbite très excentrique et est attiré par le trou noir supermassif qui devrait l'absorber d'ici quelques années. Document MPE.

Des mégaéruptions X

Le 14 septembre 2013, l'observatoire orbital Chandra détecta une éruption X d'une puissance record tout près de Sgr A*; cette mégaéruption fut 400 fois plus brillante que l'état normal et 3 fois plus intense que l'éruption de début 2012. L'objet G2 aurait pu en être la source, mais comme on le voit sur la vidéo suivante (ci-dessous à droite), l'éruption était de courte durée, caractéristique d'un objet bien plus proche du trou noir.

Les astronomes estiment que cette éruption ne provenait pas de l'objet G2 qui se trouvait à cette date à 24 milliards de kilomètres du trou noir mais d'un autre objet se trouvant à quelques centaines de millions de kilomètres du trou noir soit quelques dizaines de minutes-lumière.

Sagittarius A* s'est ensuite calmé pour produire le 20 octobre 2014 une nouvelle éruption X qui fut 200 fois plus brillante que la normale.

A gauche, progression de l'objet compact G2 autour du trou noir supermassif de la Voie Lactée. Notez l'accélération de son déplacement (~1000 km/s en 2006 à plus de 3000 km/s en 2014) à l'approche du périapse en vertu de la loi des aires de Kepler. Voir l'animation sur le site de l'ESO. A droite, la mégaéruption X survenue le 14 septembre 2013 près de Sgr A*. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation. Cette éruption provient d'une source non identifiée des centaines de fois plus rapprochée du trou noir que G2. Le petit objet bleu brillant et stable en dessous à gauche est un magnétar. Documents ESO et Chandra.

En utilisant les modèles de la région entourant Sgr A*, les chercheurs ont proposé deux hypothèses : l'éruption de septembre 2013 aurait été provoquée par un petit corps (on pense à un astéroïde) qui se serait rapproché trop près du trou noir et aurait été mis en pièce, ses fragments ayant été portés à haute température puis se seraient liquéfiés avant d'être aspirés sous l'horizon des évènements de Sgr A*; ou l'éruption aurait été provoquée par les lignes de forces du puissant champ magnétique entourant le trou noir qui auraient subit des déconnexions et reconnexions magnétiques - un processus commun sur le Soleil - et libéré d'énormes bouffées d'énergie. A ce jour, l'origine de cette éruption reste un mystère. Elle fut suivie par une seconde éruption X en octobre 2014, cette fois moitié moins intense mais qui demeure également inexpliquée.

Comme l'expliqua l'ESO dans un communiqué de presse publié en 2015, l'objet G2 s'est ensuite éloigné du périapse sans être détruit, ce qui a permit de déduire que ce n'est pas un simple nuage de gaz mais plutôt un objet compact.

Pour mieux comprendre la nature de cet objet, l'astronome (post doctorant) Brian J. Morsony de l'Université du Wisconsin à Madison et ses collègues ont étudié les paramètres de G2 (structure, densité, rayon d'accrétion, etc.) afin de déterminer de quelle manière ces facteurs ont pu affecter le taux d'accrétion et la luminosité de Sgr A*. Ils ont réalisé des simulations hydrodynamiques tridimensionnelles en code FLASH et publié leurs résultats dans l'"Astrophysical Journal" en 2017. Selon les chercheurs, seulement 3 à 21% de la matière accrétée par Sgr A* dans les 5 ans qui suivirent le périapse provenaient de G2 mais seulement 0.03 à 10% de la masse totale du nuage fut accrétée par le trou noir.

A voir : G2 Gas Cloud Simulation, ESO

Black Hole Meltdown in the Galactic Center (avec explications)

Simulations de l'objet G2 (dans ce cas-ci un nuage de gaz) approchant du trou noir Sgr A*. A gauche, les lignes bleues correspondent aux trajectoires des étoiles. A droite, la densité de colonne (le nombre de particules contenues dans une section orthogonale dans la ligne de visée et correspondant à la densité de matière) en échelle logarithmique de l'évolution de G2 autour du périapse (de gauche à droite et de haut en bas, entre 5 ans avant et 10 ans après). Document ESO/S.Gillessen, MPE/Marc Schartmann (2011) et B.Morsony et al. (2017) adapté par l'auteur.

En comparant leurs simulations aux observations de G2 après son passage au périapse, Morsony et ses collèges en ont déduit que G2 n'est pas seulement un nuage de gaz. En fait, il existe probablement deux composantes : un nuage de gaz étendu et froid de faible masse responsable de l'essentiel des émissions de G2 avant qu'il n'atteigne le périapse et une composante très compacte pouvant être un fragment d'objet stellaire poussiéreux à l'origine des émissions qui dominaient après le passage au périapse. Les auteurs prédisent que les futures émissions ne devraient plus provenir du nuage de gaz mais uniquement du noyau compact ou de l'objet stellaire poussiéreux.

Passage de S2 au périapse et vérification de l'effet de la relativité

Alors que les astronomes suivaient l'évolution de l'étoile S2 en orbite autour de Sgr A*, le 19 mai 2018, ils ont pu observer son passage au périapse qui se situe à environ 20 milliards de km soit ~134 UA du trou noir. A cette occasion, comme on le voit ci-dessous, ils ont pu observer dans le spectre de S2 l'effet du rougissement gravitationnel à mesure qu'elle se rapprochait du périapse pour reprendre ensuite sa couleur normale. C'était la première fois que les astronomes observaient ce phénomène près d'un trou noir supermassif, validant une fois de plus la théorie de la relativité générale dans des conditions de champs très intense.

A voir : First Successful Test of Einstein’s General Relativity Near Sgr A*, ESO, 2018

A gauche, simulation du changement de la longueur d'onde de la lumière de l'étoile S2 lors de son passage au plus près du trou noir Sgr A* en mai 2018. C'est la première fois que ce rougissement gravitationnel conforme à la théorie de la relativité générale est vérifié dans l'environnement d'un trou noir supermassif. Documents ESO adaptés par l'auteur.

Dans quelques temps, les astronomes pourront également révéler l’existence d’un autre effet relativiste - la précession de Schwarzschild - c'est-à-dire une petite rotation de l’orbite de l’étoile à mesure que S2 s’éloigne du trou noir (le même phénomène qu'on observe avec l'orbite de Mercure autour du Soleil).

Analyse du champ magnétique autour de Sgr A*

Entre 2013 et 2015, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Michael D. Johnson du Centre d'Astrophysique Harvard-Smithsonian analysa Sgr A* par interférométrie VLBI (combinant le EHT, CARMA, SMT, SMA et JCMT) à 1.3 mm de longueur d'onde (~230 GHz) et une distance de ~6 rayons de Schwarzschild avec une résolution spatiale record de ~40 μas. Ils ont mesuré une polarisation linéaire des structures atteignant au maximum ~70% et une intensité maximale du flux de plasma en émission d'environ 3 mJy/μas2. Ils confirmaient ainsi pour la première fois par l'observation l'existence d'un champ magnétique autour d'un trou noir supermassif. Selon les modèles dont on voit une image ci-dessous à gauche, ces valeurs correspondent à une intensité magnétique de plusieurs dizaines de gauss, en accord avec les estimations précédentes (~30 G). Les résultats furent publiés dans la revue "Science" (en PDF sur arXiv) en 2015.

En parallèle, une équipe d'astronomes dirigée par Pat Roche de l'Université d'Oxford utilisant la caméra infrarouge CanariCam fixée sur le Gran Telescopio Canarias de 10.4 m installé à La Palma a dressé la première carte en haute résolution des lignes de champ magnétique dans le gaz et la poussière tourbillonnant autour de Sgr A* comme on le voit ci-dessous à droite. C'est la première fois qu'on observe les détails de la structure fine du champ magnétique autour de Sgr A* et qu'on trace par la même occasion le flux de matière gravitant autour de ce trou noir. Leurs résultats furent publiés dans les "MNRAS" en 2018.

A gauche, simulation MHD du champ de polarisation du flux de plasma entourant Sgr A* jusqu'à une distance d'environ 6 rayons de Schwarzschild en tenant compte des effets de la relativité générale. La polarisation moyenne pondérée par luminosité est de 26% et est compatible avec les données enregistrées par le VLBI à 1.3 mm de longueur d'onde. A droite, cartographie de la région entourant Sgr A* dans un rayon de 1 a.l. Les couleurs indiquent l'intensité du rayonnement infrarouge (la chaleur) émis par les poussières chaudes contenues dans les filaments et les étoiles lumineuses proches du centre galactique. Les lignes représentent les directions du champ magnétique et révèlent les interactions complexes entre les étoiles et les filaments de poussière, y compris l'effet de la force gravitationnelle du trou noir Sgr A*. Document Michael D. Johnson et al. (2015) et E. Lopez-Rodriguez et al. (2018) adapté par l'auteur.

Pour rappel, la lumière des sources présentes dans le coeur de la Voie Lactée sont bloquées par la densité des nuages ​​de gaz et de poussière. Le rayonnement infrarouge ainsi que les rayons X et les ondes radio passent à travers ces nuages, de sorte que les astronomes peuvent observer plus clairement la région qui entoure Sgr A*.

La nouvelle carte qui couvre 1 année lumière de chaque côté du trou noir supermassif montre l'intensité du rayonnement infrarouge et trace les lignes du champ magnétique à l'intérieur des nuages de poussière et de gaz chauds qui apparaissent comme de petits traits dans l'image. Les filaments qui s'étendent sur plusieurs années-lumière se rassemblent près du trou noir (en dessous du centre de la carte) où on distingue un point de convergence des orbites des courants de gaz et de poussière. On note également que le champ magnétique relie certaines des étoiles les plus brillantes du centre de la Galaxie. Malgré les puissants vents stellaires émis par ces étoiles, les filaments restent en place du fait qu'ils sont maintenus à l'intérieur des nuages par le champ magnétique (à l'image des protubérances solaires). En dehors des nuages de gaz et de poussière, le champ magnétique prend différentes directions Selon la façon dont la matière se déplace, une partie peut éventuellement être capturée et engloutie par le trou noir.

Si pour l'heure on ne comprend pas encore quelle est l'origine du champ magnétique présent dans cette région, les astrophysiciens estiment que le champ magnétique offrant une faible intensité, il s'étire en même temps que les filaments de gaz et de poussière sont étirés sous l'effet gravitationnel de Sgr A* et des nombreuses étoiles présentes dans cette région de la Voie Lactée.

En guise de conclusion

Ces découvertes passionnent les astronomes et leur offrent une opportunité unique pour étudier un trou noir proche et tous les effets qu'il produit. Selon Gabriele Ponti de l'Institut Max Planck de Physique Extraterrestre (MPE/MPG), "de tels évènements à la fois rares et intenses nous offrent une chance unique d'observer comment un simple nuage de matière est attiré par un trou noir et de mieux comprendre l'un des objets les plus bizarres de notre Galaxie".

Pour l'astrophysicien Jonathan McDowell du Centre Harvard-Smithsonian d'Astrophysique de Cambridge, de telles observations sont d'une grande valeur car les trous noirs supermassifs sont communs dans l'Univers. "Nos théories décrivant ce qui se produit au centre d'un quasar comprennent toutes des choses tombant sur un trou noir supermassif. C'est la première fois qu'on peut observer de près de telles choses, bien qu'à un échelle plus petite. Nous faisons le pari que cela se produit à une plus grande échelle ailleurs dans l'univers".

En découvrant ces nuages de gaz et ces éruptions X tout près du trou noir supermassif de la Voie Lactée, les astronomes fondent beaucoup d'espoir sur les nouveaux grands télescopes en cours de construction ainsi que sur le JWST qui devrait permettre d'observer les trous noirs et les quasars de manière plus détaillée.

L'étape suivante consiste à observer le disque d'accrétion de Sgr A* grâce aux mêmes moyens interférométriques qu'utilisa l'équipe de Michael D. Johnson. Les premières images devraient être disponibles en 2018.

Pour plus d'informations

Le trou noir (sur ce site)

Les trous noirs supermassifs (sur ce site)

Event Horizon Telescope (EHT)

La Voie Lactée et son immense trou noir, YouTube

Resolved Magnetic-Field Structure and Variability Near the Event Horizon of Sagittarius A* (arXiv), Michael D. Johnson et al, 2017

Magnetic Field of Sgr A* Black Hole (PDF), A.Nikos, 2014

G2 and Sgr A*: A Cosmic Fizzle at the Galactic Center, B.J.Morsony et al., ApJ, June 2017

The Post-pericenter Evolution of the Galactic Center Source G2, P.M.Plewa et al., ApJ, 2017

A strong magnetic field around the supermassive black hole at the centre of the Galaxy (PDF), R. P. Eatough et al., Nature, sept. 2013

Three-dimensional moving-mesh simulations of galactic center cloud G2, P.Anninos et al, ApJ, Oct 2012

Simulations of the origin and fate of the galactic center cloud G2, M.Schartmann et al., ApJ, Aug 2012

L'ombre d'un trou noir (PDF), A.Broderik et A.Loeb/CfA, Pour la Science, 2012

Portrait of a Black Hole (PDF), A.Broderik et A.Loeb/CfA, Scientific American, 2009

Zoom into the Center of our Galaxy with Keck Observatory, Leo Meyer/Keck Obs.

Event Horizon Telescope (et les publications)

Sag A*: Record-Breaking Outburst from Milky Way's BH, Chandra, sept. 2015

G2 a survécu à son approche et consiste en un objet compact, ESO, mars 2015

Le repas d'un trou noir bientôt servi, ESO, 2011

The Event Horizon Telescope: exploring strong gravity and accretion physics, Angelo Ricarte et Jason Dexter, MNRAS, 2014.

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