Elle fonce à 8 % de la vitesse de la lumière : la science vient de comprendre ce qui l’attend à son retour en 2031

Une étoile file actuellement à plus de 8 % de la vitesse de la lumière autour du trou noir supermassif situé au cœur de notre galaxie, et son prochain passage au plus près de ce monstre gravitationnel, prévu en 2031, pourrait enfin permettre aux astronomes de mesurer un paramètre resté mystérieux depuis des décennies : la rotation de Sagittarius A*. Baptisée S301, cette étoile vient d’être identifiée grâce au Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral (ESO), au Chili, et elle bat tous les records de vitesse jamais observés dans la Voie lactée.

Une proximité jamais vue avec le monstre du centre galactique

Le chiffre donne le vertige. Baptisée S301, cette étoile a été détectée grâce à l’interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l’Observatoire Européen Austral (ESO) et atteint une vitesse de 25 000 km/s lorsqu’elle tourne autour de ce trou noir de quatre millions de masses solaires. Soit, en unités plus parlantes, plus de 90 millions de kilomètres à l’heure, environ 100 000 fois la vitesse d’un avion de ligne, ou encore plus de 8 % de la vitesse de la lumière. À ce rythme, S301 décroche officiellement le titre d’étoile la plus rapide jamais repérée dans notre galaxie.

Ce qui rend cette découverte si particulière, ce n’est pas seulement la vitesse : c’est la distance. Au périastre, S301 s’approche à une distance équivalente à seulement douze fois celle qui sépare la Terre du Soleil, soit environ 1,8 milliard de kilomètres, une distance comparable à celle qui sépare Saturne de notre étoile. Pour comparaison, même S2, l’étoile qui avait permis de valider plusieurs prédictions de la relativité générale autour du trou noir central, ne s’approche jamais assez près pour révéler la rotation du trou noir ; S301, elle, s’aventure dix fois plus près que son illustre devancière. Repérer un objet aussi discret relevait de l’exploit technique : l’équipe a utilisé l’interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l’ESO au Chili, et son instrument GRAVITY+, qui combine la lumière de quatre télescopes de 8 mètres pour créer un « télescope virtuel » dont la résolution spatiale est 15 fois supérieure à celle d’un seul télescope de 8 mètres.

Sur le plan physique, S301 n’a rien d’exotique en soi : elle est environ 50 % plus massive que notre Soleil et cinq fois plus lumineuse. Mais sa position, quasiment collée à un trou noir de plusieurs millions de masses solaires, en fait un laboratoire cosmique unique. Un détail amusant : dans le ciel, cette étoile ultrarapide reste quasi invisible, puisqu’elle apparaît deux milliards de fois moins brillante que Bételgeuse, l’étoile orange bien connue de la constellation d’Orion.

Pourquoi 2031 change tout pour la physique fondamentale

S301 ne fait pas un aller simple. Elle orbite autour de Sagittarius A* tous les 8,7 ans, et les astronomes savent donc précisément quand elle va repasser au plus près : en 2031. Cette échéance n’a rien d’anecdotique. Les observations de suivi menées avec GRAVITY+, ainsi qu’avec l’instrument MICADO installé sur le futur Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO, seront cruciales pour suivre la trajectoire de S301 au cours de la prochaine décennie, alors qu’elle effectuera son prochain passage au plus près en 2031 ; l’observation d’au moins deux orbites complètes de S301 permettra de déterminer sa trajectoire avec une précision suffisante pour que l’équipe puisse, pour la première fois, déterminer directement la rotation de Sagittarius A*.

Concrètement, deux effets relativistes sont en jeu. Le premier, la précession de Schwarzschild, fait tourner l’orbite de l’étoile sur elle-même comme une rosette et avait déjà été mesuré autour de Sagittarius A* ; il se produit indépendamment du fait que le trou noir tourne ou non. Le second, bien plus subtil, est l’effet Lense-Thirring : en tournant, le trou noir entraîne et déforme l’espace-temps qui l’entoure, un phénomène connu sous le nom d’effet Lense-Thirring ; l’étoile S301 s’approche si près du trou noir qu’elle pourrait être affectée par ce phénomène, la déformation de l’espace-temps modifiant légèrement son orbite à chaque passage rapproché. si le trou noir tourne réellement, l’orbite de S301 devrait en porter la trace, minuscule mais mesurable, à chaque révolution.

Reinhard Genzel, prix Nobel de physique 2020 pour ses travaux sur le trou noir central de la Voie lactée, ne cache pas son enthousiasme face à cette opportunité. « Comme elle est très proche de Sagittarius A*, S301 ouvre une nouvelle fenêtre sur les propriétés fondamentales de l’espace-temps dans cet environnement extrême », explique-t-il dans un communiqué de l’ESO. Felix Mang, doctorant à l’institut Max-Planck de physique extraterrestre et co-auteur de l’étude, va plus loin encore en évoquant la perspective de mesurer enfin ce paramètre : « Ce serait un rêve devenu réalité », confie-t-il.

Une étoile née d’un naufrage stellaire

Reste une énigme : comment une étoile ordinaire s’est-elle retrouvée à orbiter aussi près d’un trou noir supermassif ? En théorie, c’est impossible. Les chercheurs estiment qu’un astre ne peut pas se former si près d’un trou noir supermassif ; l’hypothèse la plus probable est que S301 faisait autrefois partie d’un système binaire, un couple d’étoiles qui se serait aventuré trop près de Sagittarius A*, avant que les forces de marées titanesques du trou noir ne brisent leur union. Ce scénario, appelé mécanisme de Hills, a déjà été invoqué pour expliquer d’autres étoiles rapides découvertes dans ce même quartier extrême de la galaxie, comme S4711 ou S4714, dont la vitesse de pointe frôlait déjà les 8 % de la vitesse de la lumière lors de leur découverte en 2020.

Le sort de la seconde moitié du couple stellaire d’origine donne le tournis : selon les chercheurs, l’autre étoile du système a été éjectée à une vitesse telle qu’elle a très probablement quitté la galaxie. Quelque part, à des dizaines de milliers d’années-lumière de là désormais, une étoile solitaire continue de filer dans le vide intergalactique, chassée pour toujours de la Voie lactée par la gravité extrême de Sagittarius A*. D’ici cinq ans, ce sera au tour de sa sœur captive de livrer ses secrets, à condition que les télescopes terrestres tiennent le rythme de cette danse cosmique programmée au dixième d’année près.

Sources : lalibre.be | eso.org