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 en orbite très proche de Sgr A*, le trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. L’une de ces étoiles, nommée S29, a été observée alors qu’elle se rapprochait le plus 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 les nouvelles observations du VLTI. Pour obtenir les nouvelles images, les astronomes ont utilisé une technique d’apprentissage automatique, appelée théorie des champs d’information. Ils ont créé un modèle de l’apparence des sources réelles, simulé comment GRAVITY les verrait et comparé cette simulation avec les observations de GRAVITY. Cela leur a permis de trouver et de suivre les étoiles autour du Sagittaire A* avec une profondeur et une précision inégalées. Crédit : Collaboration ESO/GRAVITY
L’Observatoire européen austral Très grand télescope Interféromètre (CETTE‘s VLTI) a obtenu les images les plus profondes et les plus nettes à ce jour de la région autour du supermassif trou noir au centre de notre galaxie. Les nouvelles images zooment 20 fois plus que ce qui était possible avant le VLTI et ont aidé les astronomes à trouver une étoile jamais vue auparavant près du trou noir. En suivant les orbites des étoiles au centre de notre voie Lactée, l’équipe a effectué la mesure la plus précise à ce jour de la masse du trou noir.
« Nous voulons en savoir plus sur le trou noir au centre de la Voie lactée, Sagittaire A* : quelle est sa masse exactement ? Est-ce qu’il tourne ? Les étoiles qui l’entourent se comportent-elles exactement comme nous l’attendons de la théorie de la relativité générale d’Einstein ? La meilleure façon de répondre à ces questions est de suivre les étoiles sur des orbites proches du trou noir supermassif. Et ici, nous démontrons que nous pouvons le faire avec une précision plus élevée que jamais auparavant », explique Reinhard Genzel, directeur du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) à Garching, en Allemagne, qui a reçu un prix Nobel en 2020 pour le Sagittaire A. * rechercher. Genzel et les derniers résultats de son équipe, qui approfondissent leur étude de trois décennies sur les étoiles en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée, sont publiés aujourd’hui dans deux articles dans Astronomie & Astrophysique.
Dans une quête pour trouver encore plus d’étoiles à proximité du trou noir, l’équipe, connue sous le nom de collaboration GRAVITY, a développé une nouvelle technique d’analyse qui leur a permis d’obtenir les images les plus profondes et les plus nettes à ce jour de notre centre galactique. « Le VLTI nous donne cette incroyable résolution spatiale et avec les nouvelles images, nous atteignons plus profondément que jamais. Nous sommes stupéfaits par leur quantité de détails, ainsi que par l’action et le nombre d’étoiles qu’elles révèlent autour du trou noir », explique Julia Stadler, chercheuse à l’Institut Max Planck d’astrophysique de Garching qui a dirigé les efforts d’imagerie de l’équipe pendant son séjour à MPE. Remarquablement, ils ont trouvé une étoile, appelée S300, qui n’avait pas été vue auparavant, montrant à quel point cette méthode est puissante lorsqu’il s’agit de repérer des objets très faibles à proximité du Sagittaire A*.
Avec leurs dernières observations, menées entre mars et juillet 2021, l’équipe s’est concentrée sur la prise de mesures précises des étoiles à l’approche du trou noir. Cela inclut l’étoile détentrice du record S29, qui s’est rapprochée le plus près du trou noir fin mai 2021. Elle l’a dépassé à une distance de seulement 13 milliards de kilomètres, soit environ 90 fois la distance Soleil-Terre, à la vitesse étonnante de 8740. kilomètres par seconde (~20 000 000 mph). Aucune autre étoile n’a jamais été observée pour passer aussi près ou voyager aussi vite autour du trou noir.
Vue grand champ du centre de la Voie lactée. Cette vue à grand champ en lumière visible montre les riches nuages d’étoiles de la constellation du Sagittaire (l’Archer) en direction du centre de notre galaxie de la Voie lactée. L’image entière est remplie d’un grand nombre d’étoiles – mais beaucoup plus restent cachées derrière des nuages de poussière et ne sont révélées que dans les images infrarouges. Cette vue a été créée à partir de photographies en lumière rouge et bleue et faisant partie du Digitized Sky Survey 2. Le champ de vision est d’environ 3,5 degrés x 3,6 degrés. Crédit : ESO et Digitized Sky Survey 2. Remerciements : Davide De Martin et S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)
Les mesures et les images de l’équipe ont été rendues possibles grâce à GRAVITY, un instrument unique que la collaboration a développé pour le VLTI de l’ESO, situé au Chili. GRAVITY combine la lumière des quatre télescopes de 8,2 mètres du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO en utilisant une technique appelée interférométrie. Cette technique est complexe, « mais au final, vous obtenez des images 20 fois plus nettes que celles des seuls télescopes VLT, révélant les secrets du Centre Galactique », explique Frank Eisenhauer de MPE, chercheur principal de GRAVITY.
« Suivre les étoiles sur des orbites proches autour du Sagittaire A* nous permet de sonder avec précision le champ gravitationnel autour du trou noir massif le plus proche de la Terre, de tester la relativité générale et de déterminer les propriétés du trou noir », explique Genzel. Les nouvelles observations, combinées aux données précédentes de l’équipe, confirment que les étoiles suivent exactement les trajectoires prévues par la relativité générale pour les objets se déplaçant autour d’un trou noir d’une masse 4,30 millions de fois celle du Soleil. Il s’agit de l’estimation la plus précise de la masse du trou noir central de la Voie lactée à ce jour. Les chercheurs ont également réussi à affiner la distance jusqu’au Sagittaire A*, le trouvant à 27 000 années-lumière.
Pour obtenir les nouvelles images, les astronomes ont utilisé une technique d’apprentissage automatique, appelée Théorie des champs d’information. Ils ont créé un modèle de l’apparence des sources réelles, simulé comment GRAVITY les verrait et comparé cette simulation avec les observations de GRAVITY. Cela leur a permis de trouver et de suivre les étoiles autour du Sagittaire A* avec une profondeur et une précision. En plus des observations GRAVITY, l’équipe a également utilisé des données de POURQUOI et SINFONI, deux anciens instruments du VLT, ainsi que des mesures de l’observatoire Keck et de l’observatoire Gemini de NOIRLab aux États-Unis.
GRAVITY sera mis à jour plus tard cette décennie vers GRAVITY+, qui sera également installé sur le VLTI de l’ESO et poussera la sensibilité plus loin pour révéler des étoiles plus faibles encore plus près du trou noir. L’équipe vise à terme à trouver des étoiles si proches que leurs orbites ressentiraient les effets gravitationnels causés par la rotation du trou noir. Le prochain télescope extrêmement grand (ELT) de l’ESO, en construction dans le désert chilien d’Atacama, permettra en outre à l’équipe de mesurer la vitesse de ces étoiles avec une très grande précision. « Avec les pouvoirs de GRAVITY+ et de l’ELT combinés, nous pourrons découvrir à quelle vitesse le trou noir tourne », explique Eisenhauer. “Personne n’a été capable de le faire jusqu’à présent.”
Cette recherche a été présentée dans deux articles de la collaboration GRAVITY à paraître dans Astronomie & Astrophysique.
Ce graphique montre l’emplacement du champ de vision dans lequel réside le Sagittaire A * – le trou noir est marqué d’un cercle rouge dans la constellation du Sagittaire (l’Archer). Cette carte montre la plupart des étoiles visibles à l’œil nu dans de bonnes conditions. Crédit : ESO, IAU et Sky & Telescope
Les références:
« Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits » par la collaboration GRAVITY : R. Abuter, N. Aimar, A. Amorim, J. Ball, M. Bauböck, S. Gillessen, F. Widmann, G. Heissel et al., 14 décembre 2021, Astronomie & Astrophysique.
DOI : 10.1051/0004-6361/202142465
“Deep images of the Galactic center with GRAVITY” par GRAVITY Collaboration, J. Stadler, A. Drescher, 14 décembre 2021, Astronomie & Astrophysique.
DOI : 10.1051/0004-6361/202142459
Plus d’information
L’équipe qui a rédigé l’article « The mass distribution in the Galactic Center from interferometric astrometry of multiple stellar orbits » est composée de : R. Abuter (European Southern Observatory, Garching, Allemagne [ESO]), A. Amorim (Université de Lisbonne – Faculté des sciences, Portugal et Centre d’astrophysique et de gravitation, IST, Université de Lisbonne, Portugal [CENTRA]), M. Bauböck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Allemagne [MPE] et Département de Physique, Université de l’Illinois, USA), JP Berger (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France [IPAG] et ESO), H. Bonnet (ESO), G. Bourdarot (IPAG et MPE), W. Brandner (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Allemagne [MPIA]), V. Cardoso (CENTRA et CERN, Genève, Switzerland), Y. Clénet (Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris, Meudon, France [LESIA]), Y. Dallilar (MPE), R. Davies (MPE), PT de Zeeuw (Leiden Observatory, Leiden University [Leiden], Pays-Bas et MPE), J. Dexter (Département des sciences astrophysiques et planétaires, JILA, Duane Physics Bldg., Université du Colorado [Colorado], Boulder, USA), A. Drescher (MPE), A. Eckart (1er Institut de Physique, Université de Cologne, Allemagne [Cologne] et Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Allemagne), F. Eisenhauer (MPE), NM Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculté d’ingénierie, Université de Porto, Portugal et CENTRA), F. Gao (Hamburger Sternwarte , Universität Hamburg, Germany et MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE et Départements de Physique et Astronomie, Le Conte Hall, Université de Californie, Berkeley, USA), S. Gillessen (MPE), M. Habibi (MPE), X. Haubois (Observatoire Européen Austral, Santiago, Chili [ESO Chile]), G. Heißel (LESIA), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Cologne), L. Jochum (ESO Chili), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO ) Chili), P. Kervella (LESIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LLESIA), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), D. Lutz (MPE), T. Ott (MPE), T. Paumard (LESIA), K. Perraut (IPAG), G. Perrin (LESIA), O. Pfuhl (ESO et MPE), S. Rabien (MPE), G. Rodríguez-Coira (LESIA), J. Shangguan (MPE), T. Shimizu (MPE), S. Scheithauer (MPIA), J. Stadler (MPE) , O. Straub (MPE), C. Straubmeier (Cologne), E. Sturm (MPE), LJ Tacconi (MPE), KRW Tristram (ESO Chili), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO), S. Yazici MPE et Cologne) et A. Young (MPE).
L’équipe qui a rédigé l’article « Deep images of the Galactic Center with GRAVITY » est composée de : R. Abuter (ESO), P. Arras (Max Planck Institute for Astrophysics [MPA], Garching, Allemagne et Département de physique, Université technique de Munich [TUM], Garching, Allemagne), M. Bauböck (MPE et Department of Physics, University of Illinois, USA), H. Bonnet (ESO), W. Brandner (MPIA), G. Bourdarot (IPAG et MPE), V. Cardoso ( CENTRA et CERN), Y. Clénet (LESIA), PT de Zeeuw (Leiden et MPE), J. Dexter (Colorado et MPE), Y. Dallilar (MPE), A. Drescher (MPE), A. Eckart (Cologne et Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Allemagne), F. Eisenhauer (MPE), T. Enßlin (MPA), NM Förster Schreiber (MPE), P. Garcia (Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Portugal et CENTRA), F. Gao (Hamburger Sternwarte, Universität Hamburg, Germany et MPE), E. Gendron (LESIA), R. Genzel (MPE and Departments of Physics and Astronomy, Le Conte Hall, University of California, Berkeley, USA), S. Gillessen (MPE), M. Habibi (MPE), X. Haubois (ESO Chili), G. Heißel (LESIA), T. Henning (MPIA), S. Hippler (MPIA), M. Horrobin (Cologne), A. Jiménez -Rosales (MPE), L. Jochum (ESO Chili), L. Jocou (IPAG), A. Kaufer (ESO Chili), P. Kervella (LESIA), S. Lacour (LESIA), V. Lapeyrère (LESIA), J.-B. Le Bouquin (IPAG), P. Léna (LESIA), D. Lutz (MPE), T. Ott (MPE) , T. Paumard (LESIA) , K. Perraut (IPAG) , G. Perrin (LESIA) , O. Pfuhl (ESO et MPE), S. Rabien (MPE), J. Shangguan (MPE), T. Shimizu (MPE), S. Scheithauer (MPIA), J. Stadler (MPE , O. Straub (MPE),C. Straubmeier (Cologne), E. Sturm (MPE), LJ Tacconi (MPE), KRW Tristram (ESO Chili), F. Vincent (LESIA), S. von Fellenberg (MPE), I. Waisberg (Département de physique des particules & Astrophysique, Weizmann Institute of Science, Israël et MPE), F. Widmann (MPE), E. Wieprecht (MPE), E. Wiezorrek (MPE), J. Woillez (ESO), S. Yazici (MPE et Cologne), A. Young (MPE) et G. Zins (ESO).
