Vingt-cinq mille kilomètres par seconde. C’est la vitesse à laquelle file S301, une étoile qui vient d’être repérée à quelques encablures cosmiques du trou noir supermassif tapi au centre de notre galaxie. Elle atteint une vitesse d’environ 90 millions de km/h, soit plus de 8% de la vitesse de la lumière, autour de Sagittarius A*, ou Sgr A*, le trou noir situé au cœur de notre galaxie, la Voie lactée. Un record absolu : aucune autre étoile, ni dans notre galaxie ni ailleurs, n’a jamais été mesurée à une telle vitesse. et ce n’est pas qu’une performance sportive stellaire. Cette découverte, publiée le 19 août dans la revue Nature, pourrait enfin permettre aux physiciens de vérifier un aspect de la théorie d’Einstein resté jusqu’ici hors de portée.
À retenir
- Une étoile pulvérise tous les records de vitesse stellaire autour d’un trou noir géant
- Sa trajectoire crée un laboratoire naturel pour vérifier les équations d’Einstein
- Les chercheurs attendent 2031 pour une découverte qui pourrait révolutionner notre compréhension de l’espace-temps
Une étoile née de la violence, piégée pour l’éternité
S301 n’a rien d’extraordinaire à première vue. Cette étoile est environ 50% plus massive que le Soleil et cinq fois plus lumineuse. Ce qui la rend unique, c’est sa position : elle orbite si près du trou noir géant qu’elle en épouse littéralement les caprices gravitationnels. Elle suit une orbite très elliptique autour de Sgr A* et met environ 8,7 ans à en faire le tour. Lors de son passage au plus près, elle s’en approche à seulement 11,5 unités astronomiques, soit un peu plus que la distance séparant Saturne de notre Soleil. À l’inverse, lorsqu’elle s’éloigne le plus, S301 atteint une distance d’environ 1 360 unités astronomiques de Sgr A*. Un grand écart vertigineux, entre la banlieue proche d’un monstre gravitationnel et les confins glacés du système.
L’histoire de cette étoile ressemble presque à un fait divers cosmique. « Une étoile est éjectée du centre de la Voie lactée à très grande vitesse, au point de pouvoir quitter la galaxie. L’autre reste piégée pour toujours sur une orbite proche du trou noir. C’est S301 », a expliqué Stefan Gillessen. S301 aurait fait partie d’un couple d’étoiles binaires, disloqué par les forces de marée titanesques de Sgr A*. Sa jumelle a été catapultée hors de la galaxie ; elle, est restée condamnée à graviter, encore et encore, autour du gouffre gravitationnel qui l’a mutilée.
Les astronomes ne l’ont pas repérée par hasard. Les chercheurs ont repéré S301 en 2023 grâce à l’instrument GRAVITY de l’interféromètre du Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral, au Chili, avant de retracer son parcours à partir d’observations de 2021 et 2017. En creusant les archives, ils ont même reconstitué son passé récent : leurs données ont permis de retracer son historique orbital jusqu’en 2017, montrant que son précédent passage au plus près de Sagittarius A* a eu lieu seulement quelques mois avant sa découverte. Une étoile suivie sans le savoir, pendant des années, avant que quelqu’un ne comprenne ce qu’elle représentait vraiment.
Ce que la vitesse de S301 dit d’Einstein
Pourquoi s’exciter à ce point pour une étoile qui tourne vite ? Parce que sa proximité extrême avec le trou noir en fait un laboratoire à ciel ouvert pour la relativité générale. Jusqu’ici, l’étoile référence pour tester la théorie d’Einstein près de Sgr A* s’appelait S2 : l’un des tests les plus décisifs est venu de l’observation de l’étoile S0-2/S2, qui orbite autour de Sgr A* tous les 16 ans. Lors de son passage au plus près en 2018, elle a atteint une vitesse d’environ 2,7% de la vitesse de la lumière, à une distance de 120 UA de Sgr A*. Son comportement fut conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein, incompatible en revanche avec la théorie de la gravitation de Newton.
Mais S301 fait mieux, beaucoup mieux. Elle passe presque trois fois plus vite et beaucoup plus près que S2, ce qui en fait, selon les mots d’un astronome spécialisé, l’étoile la plus relativiste jamais observée. On a déjà observé que l’orbite de S301 précesse, un phénomène similaire à celui observé sur Mercure et qui fut l’un des tests classiques de la relativité générale. Mais la précession de Mercure est minuscule, la différence entre la prédiction d’Einstein et celle de Newton représentant moins que la durée d’un battement de cœur à chaque orbite. Pour S301, le périastre avance d’environ 2° à chaque orbite. Autant dire un gouffre d’échelle entre les deux phénomènes. Ce mouvement est si extrême que des effets relativistes secondaires entrent en jeu, comme le décalage vers le rouge gravitationnel et l’effet Doppler transverse. Ces effets ont déjà été observés en laboratoire, mais S301 offre l’occasion de les étudier dans la nature.
Le véritable Graal, cependant, dépasse la simple vérification de calculs déjà validés. Il s’agit de mesurer une caractéristique du trou noir jamais quantifiée directement : sa rotation. Comme la plupart des objets de notre Univers, les astronomes prédisent que Sagittarius A* tourne sur lui-même. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, un trou noir en rotation entraîne l’espace-temps avec lui et le déforme, ce qui affecte les orbites des étoiles environnantes. Cet effet se fait sentir plus fortement pour les objets orbitant à proximité de trous noirs en rotation rapide. C’est précisément la situation de S301 : assez proche, assez rapide, pour ressentir dans sa trajectoire la moindre torsion de l’espace-temps imprimée par la rotation du monstre central.
Le rendez-vous est pris pour 2031
Personne ne va crier victoire trop vite. Les astronomes vont continuer de suivre S301, qui effectuera son prochain passage au plus près du trou noir en 2031. L’observation d’au moins deux de ses orbites complètes devrait permettre de déterminer sa trajectoire avec une précision suffisante pour mesurer directement la rotation de Sagittarius A*. Cinq ans d’attente, donc, avant le prochain rendez-vous décisif, puis probablement une décennie complète avant d’obtenir une réponse définitive. « Avec cette étoile, nous espérons mesurer, d’ici les dix prochaines années, le spin du trou noir », affirme Felix Mang, coauteur de l’étude à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre.
Un des chercheurs résume l’enjeu sans détour : « Pour la première fois, nous serions capables de mesurer très directement le spin d’un trou noir massif, ce qui constituerait un test clé de la théorie d’Einstein », a déclaré Stefan Gillessen. Reste que la nature n’a pas fini de livrer ses secrets près de ce gouffre gravitationnel de quatre millions de masses solaires : il aura fallu plus de vingt ans de traque photographique du centre galactique pour dénicher, presque par accident, l’étoile qui pourrait enfin trancher la question. À l’échelle cosmique, huit années d’attente pour une réponse sur la nature de l’espace-temps, ce n’est finalement qu’un battement de cils.
Sources : futura-sciences.com | boursorama.com