Quelque chose d’autre se cache-t-il au centre de la Voie lactée ?

Sur cette illustration, on voit des étoiles en orbite étroite autour du trou noir supermassif qui se trouve au centre de la Voie lactée, connu sous le nom de Sagittarius A* (Sgr A*). Crédit : Observatoire international Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/(Spaceengine), Remerciements : M. Zamani (NOIRLab de la NSF).[2]Un aperçu précis du trou noir supermassif au coeur de la Voie Lactée.

Des astronomes utilisent l’Observatoire Gemini et une collaboration internationale de télescopes pour faire la lumière sur Sagittarius A*.

Obtenues avec l’aide du télescope Gemini Nord, les astronomes ont réalisé les mesures les plus précises à ce jour des mouvements des étoiles autour du supermassif black hole at the center of the Milky Way. These results show that 99.9% of the mass contained at the very center of the galaxy is due to the black hole, and only 0.1% could include stars, smaller black holes, interstellar dust, and gas, or dark matter.

Les astronomes ont mesuré plus précisément que jamais la position et la vitesse de quatre étoiles dans le voisinage immédiat de Sagittarius A* (Sgr A*),^[1] le trou noir supermassif qui se trouve au centre de la Voie lactée. Les mouvements de ces étoiles – appelées S2, S29, S38 et S55 – suivent des trajectoires qui montrent que la masse au centre de la Voie lactée est presque entièrement due au trou noir Sgr A*, ce qui laisse très peu de place pour autre chose.

L’équipe de recherche a utilisé une variété d’installations astronomiques de pointe dans cette recherche. Pour mesurer les vitesses des étoiles, ils ont utilisé la spectroscopie du spectrographe Gemini dans le proche infrarouge (GNIRS) à Gemini Nord, près du sommet de Maunakea à Hawaï, qui fait partie de l’Observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF, et l’instrument SINFONI sur l’Observatoire européen austral. Très grand télescope. L’instrument GRAVITY du VLTI a été utilisé pour mesurer la position des étoiles.

Illustration du trou noir Sagittarius A* au centre de la Voie lactée. Crédit : International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/(Spaceengine), Remerciements : M. Zamani (NOIRLab de la NSF).

” Nous sommes très reconnaissants à l’Observatoire Gemini, dont l’instrument GNIRS nous a fourni les informations critiques dont nous avions besoin “, a déclaré Reinhard Genzel, directeur de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre et corécipiendaire du prix Nobel de physique 2020. “Cette recherche montre la collaboration mondiale sous son meilleur jour”.

Le centre galactique de la Voie lactée, situé à environ 27 000 années-lumière du Soleil, contient la source radio compacte Sgr A* que les astronomes ont identifiée comme un trou noir supermassif 4,3 millions de fois plus massif que le Soleil. Malgré des décennies d’observations minutieuses – et le prix Nobel décerné pour avoir découvert l’identité de Sgr A*^[3] – il a été difficile de prouver de manière concluante que la majorité de cette masse n’appartient qu’au trou noir supermassif et ne comprend pas également une grande quantité de matière telle que des étoiles, des trous noirs plus petits, de la poussière et du gaz interstellaires, ou de la matière noire.

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 Sagittarius A*, le trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. L’une de ces étoiles, nommée S29, a été observée alors qu’elle s’approchait au plus près 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 de nouvelles observations VLTI rapportées par l’ESO.
En utilisant Gemini Nord de l’Observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF et du VLT de l’ESO, les astronomes ont mesuré plus précisément que jamais la position et la vitesse de ces étoiles S29 et S55 (ainsi que des étoiles S2 et S38), et ont constaté qu’elles se déplacent d’une manière qui montre que la masse au centre de la Voie lactée est presque entièrement due au trou noir Sagittarius A*, laissant très peu de place pour autre chose. Crédit : collaboration ESO/GRAVITY

“Avec l’attribution du prix Nobel de physique 2020 pour la confirmation que Sgr.A* est effectivement un trou noir, nous voulons maintenant aller plus loin. Nous aimerions comprendre s’il y a autre chose de caché au centre de la Voie lactée, et si la relativité générale est bien la théorie correcte de la gravité dans ce laboratoire extrême”, explique Stefan Gillessen, l’un des astronomes impliqués dans ces travaux. “La façon la plus directe de répondre à cette question est de suivre de près les orbites des étoiles passant à proximité de Sgr A*”.

La théorie générale de la relativité d’Einstein prédit que les orbites des étoiles autour d’un objet compact supermassif sont subtilement différentes de celles prédites par la physique newtonienne classique. En particulier, la relativité générale prédit que les orbites des étoiles traceront une élégante forme de rosette – un effet connu sous le nom de “rosette”. Précession de Schwarzschild. Pour voir réellement les étoiles tracer cette rosette, l’équipe a suivi la position et la vitesse de quatre étoiles dans le voisinage immédiat de Sgr A* – appelées S2, S29, S38 et S55. Les observations de l’équipe sur l’ampleur de la précession de ces étoiles leur ont permis de déduire la distribution de la masse au sein de Sgr A*. Ils ont découvert que toute masse étendue dans l’orbite de l’étoile S2 contribue au maximum à l’équivalent de 0,1% de la masse du trou noir supermassif.

Measuring the minute variations in the orbits of distant stars around our galaxy’s supermassive black hole is incredibly challenging. To make further discoveries, astronomers will have to push the boundaries not only of science but also of engineering. Upcoming extremely large telescopes (ELTs) such as the Giant Magellan Telescope and the Thirty Meter Telescope (both part of the US-ELT Program) will allow astronomers to measure even fainter stars with even greater precision.

“We will improve our sensitivity even further in future, allowing us to track even fainter objects,” concluded Gillessen. “We hope to detect more than we see now, giving us a unique and unambiguous way to measure the rotation of the black hole.”

“Les observatoires Gemini continuent de fournir de nouvelles informations sur la nature de notre galaxie et l’énorme trou noir en son centre”, a déclaré Martin Still, responsable du programme Gemini à la National Science Foundation. “La poursuite du développement d’instruments au cours de la prochaine décennie, destinés à une large utilisation, permettra de maintenir le leadership de NOIRLab dans la caractérisation de l’Univers qui nous entoure.”

Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Watch Stars Race Around the Milky Way’s Supermassive Black Hole.

Notes

1. Sagittarius A* se dit “étoile Sagittarius A”.
2. Le VLT de l’ESO est composé de quatre télescopes individuels de 8,2 mètres colocalisés qui peuvent combiner la lumière à travers un réseau de miroirs et de tunnels souterrains en utilisant une technique connue sous le nom d’interférométrie, pour former le VLTI. GRAVITY utilise cette technique pour mesurer la position des objets du ciel nocturne avec une accuracy — equivalent to picking out a quarter-dollar coin on the surface of the Moon.
3. The 2020 Nobel Prize in Physics was awarded in part to Reinhard Genzel and Andrea Ghez “for the discovery of a supermassive compact object at the center of our galaxy.”

This research is presented in the paper “The mass distribution in the Galactic Centre from interferometric astrometry of multiple stellar orbits” which is published in Astronomy & Astrophysics. A companion paper “Deep Images of the Galactic Center with GRAVITY” has also been published in Astronomy & Astrophysics.

References:

“Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits” by GRAVITY Collaboration: R. Abuter, N. Aimar, A. Amorim, J. Ball, M. Bauböck, J. P. Berger, H. Bonnet, G. Bourdarot, W. Brandner, V. Cardoso, Y. Clénet, Y. Dallilar, R. Davies, P. T. de Zeeuw, J. Dexter, A. Drescher, F. Eisenhauer, N. M. Förster Schreiber, A. Foschi, P. Garcia, F. Gao, E. Gendron, R. Genzel, S. Gillessen, M. Habibi, X. Haubois, G. Heißel,??, T. Henning, S. Hippler, M. Horrobin, L. Jochum, L. Jocou, A. Kaufer, P. Kervella, S. Lacour, V. Lapeyrère, J.-B. Le Bouquin, P. Léna, D. Lutz, T. Ott, T. Paumard, K. Perraut, G. Perrin, O. Pfuhl, S. Rabien, J. Shangguan, T. Shimizu, S. Scheithauer, J. Stadler, A.W. Stephens, O. Straub, C. Straubmeier, E. Sturm, L. J. Tacconi, K. R. W. Tristram, F. Vincent, S. von Fellenberg, F. Widmann, E. Wieprecht, E. Wiezorrek, J. Woillez, S. Yazici and A. Young, 19 January 2022, Astronomy & Astrophysics.
DOI: 10.1051/0004-6361/202142465

“Deep images of the Galactic center with GRAVITY” by GRAVITY Collaboration: R. Abuter, N. Aimar, A. Amorim, P. Arras, M. Bauböck, J. P. Berger, H. Bonnet, W. Brandner, G. Bourdarot, V. Cardoso, Y. Clénet, R. Davies, P. T. de Zeeuw, J. Dexter, Y. Dallilar, A. Drescher, F. Eisenhauer, T. Enßlin, N. M. Förster Schreiber, P. Garcia, F. Gao, E. Gendron, R. Genzel, S. Gillessen, M. Habibi, X. Haubois, G. Heißel, T. Henning, S. Hippler, M. Horrobin, A. Jiménez-Rosales, L. Jochum, L. Jocou, A. Kaufer, P. Kervella, S. Lacour, V. Lapeyrère, J.-B. Le Bouquin, P. Léna, D. Lutz, F. Mang, M. Nowak, T. Ott, T. Paumard, K. Perraut, G. Perrin, O. Pfuhl, S. Rabien, J. Shangguan, T. Shimizu, S. Scheithauer, J. Stadler, O. Straub, C. Straubmeier, E. Sturm, L. J. Tacconi, K. R. W. Tristram, F. Vincent, S. von Fellenberg, I. Waisberg, F. Widmann, E. Wieprecht, E. Wiezorrek, J. Woillez, S. Yazici, A. Young and G. Zins, 19 January 2022, Astronomy & Astrophysics.
DOI: 10.1051/0004-6361/202142459

More information

The team behind this result is composed of The GRAVITY Collaboration, R. Abuter (European Southern Observatory), A. Amorim (Universidade de Lisboa and CENTRA – Centro de Astrofísica e Gravitação), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics and University of Illinois), J. P. Berger (University Grenoble Alpes and European Southern Observatory), H. Bonnet (European Southern Observatory), G. Bourdarot (University Grenoble Alpes and Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), V. Cardoso (CENTRA – Centro de Astrofísica e Gravitação and CERN), Y. Clénet (LESIA, Observatoire de Paris), Y. Dallilar (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), R. Davies (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), P. T. de Zeeuw (Leiden University and Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), J. Dexter (University of Colorado, Boulder), A. Drescher (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), A. Eckart (University of Cologne and Max Planck Institute for Radio Astronomy), F. Eisenhauer (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), N. M. Förster Schreiber (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), P. Garcia (Universidade do Porto and CENTRA – Centro de Astrofísica e Gravitação), F. Gao (Universität Hamburg and Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), E. Gendron (LESIA, Observatoire de Paris), R. Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics and University of California, Berkeley), S. Gillessen (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), M. Habibi (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), X. Haubois (European Southern Observatory), G. Heißel (LESIA, Observatoire de Paris), T. Henning (Max Planck Institute for Astronomy), S. Hippler (Max Planck Institute for Astronomy), M. Horrobin (University of Cologne), L. Jochum (European Southern Observatory), L. Jocou (University Grenoble Alpes), A. Kaufer (European Southern Observatory), P. Kervella (LESIA, Observatoire de Paris), S. Lacour (LESIA, Observatoire de Paris), V. Lapeyrère (LESIA, Observatoire de Paris), J.-B. Le Bouquin (University Grenoble Alpes), P. Léna (LESIA, Observatoire de Paris), D. Lutz (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), T. Ott (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), T. Paumard (LESIA, Observatoire de Paris), K. Perraut (University Grenoble Alpes), G. Perrin (LESIA, Observatoire de Paris), O. Pfuhl (European Southern Observatory and Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), S. Rabien (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), G. Rodríguez-Coira (LESIA, Observatoire de Paris), J. Shangguan (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), T. Shimizu (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), S. Scheithauer (Max Planck Institute for Astronomy), J. Stadler (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), O. Straub (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), C. Straubmeier (University of Cologne), E. Sturm (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), L. J. Tacconi (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), K. R. W. Tristram (European Southern Observatory), F. Vincent (LESIA, Observatoire de Paris), S. von Fellenberg (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), F. Widmann (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), E. Wieprecht (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), E. Wiezorrek (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), J. Woillez (European Southern Observatory), S. Yazici (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics and the University of Cologne), and A. Young (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics).