Sagittaire A*

Des orbites stellaires à l’ombre d’un trou noir

Sagittaire A* est le trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée. Pour identifier un objet impossible à voir directement, les astronomes ont appris à lire les orbites des étoiles proches, les ondes radio émises par le gaz brûlant et la lumière déviée par une gravité extrême. Son histoire n’est pas celle d’une unique « photo de trou noir », mais celle d’observations indépendantes convergeant vers la même conclusion.

• Distance
  Environ 26 700 années-lumière de la Terre
• Masse
  Environ 4,15 millions de fois celle du Soleil
• Période orbitale de S2
  Environ 16 ans
• Diamètre de l’anneau EHT
  51,8 ± 2,3 microsecondes d’arc

Pourquoi le centre galactique était-il caché ?

Regarder à environ 26 700 années-lumière dans la direction du Sagittaire conduit au centre de notre galaxie. Mais d’épais nuages de poussière interstellaire sur cette ligne de visée bloquent la lumière visible. Les astronomes ont donc observé la région en infrarouge et en radio, des longueurs d’onde qui traversent plus facilement la poussière. En 1974, ils ont découvert au centre galactique une source radio extrêmement compacte et puissante, ensuite nommée Sagittaire A*, ou Sgr A*.

La luminosité d’une source radio ne suffisait pas à elle seule pour conclure à un trou noir. Les indices décisifs sont venus des étoiles qui l’entourent. Lorsque des étoiles tournent rapidement autour d’un point invisible, la taille et la vitesse de leurs orbites permettent de calculer la masse concentrée au centre.

S2 a dessiné la masse invisible

S2, l’étoile la plus emblématique, accomplit une révolution autour de Sgr A* en environ 16 ans. Au plus près, elle passe à près de 120 UA — environ 120 fois la distance Terre–Soleil — et atteint quelque 7 700 km/s, soit près de 3 % de la vitesse de la lumière. Plusieurs décennies de suivi précis de S2 et d’autres étoiles ont montré qu’environ quatre millions de masses solaires sont confinées dans une très petite région à l’intérieur de l’orbite de S2.

Lors du passage au plus près de S2 en 2018, les astronomes ont mesuré le décalage gravitationnel vers le rouge. Ils ont ensuite confirmé la précession de Schwarzschild : le point le plus proche de l’orbite avance légèrement à chaque révolution. Au lieu de l’ellipse fermée de la mécanique newtonienne, l’orbite forme la rosette prédite par la relativité générale. Cette longue campagne a établi la présence de l’objet compact supermassif au centre galactique ; Reinhard Genzel et Andrea Ghez ont partagé le prix Nobel de physique 2020 pour des travaux associés.

Sgr A* n’a pas été établi par une seule image. Les orbites stellaires ont d’abord mesuré sa masse, les effets relativistes ont testé son champ gravitationnel, puis l’EHT a résolu une structure à l’échelle de l’horizon des événements.

Qu’a réellement imagé l’EHT ?

L’Event Horizon Telescope n’est pas un télescope unique. En avril 2017, les radiotélescopes de huit observatoires répartis dans le monde ont observé la même cible à une longueur d’onde de 1,3 mm. L’interférométrie à très longue base les a réunis en un télescope virtuel de la taille de la Terre. L’immense jeu de données, synchronisé par des horloges atomiques, a produit le résultat publié en 2022.

L’anneau orange n’est ni la surface du trou noir ni l’horizon des événements lui-même. Les ondes radio émises par le plasma brûlant alentour sont courbées par la gravité extrême et nous parviennent par plusieurs trajets, formant un anneau lumineux. La zone sombre centrale est l’ombre du trou noir, qui paraît plus grande que l’horizon des événements et résulte de la capture de la lumière ainsi que de son déficit autour de cette région. Le diamètre mesuré de l’anneau épais, 51,8 ± 2,3 microsecondes d’arc, correspond à la prédiction de la relativité générale pour un trou noir de Kerr d’environ quatre millions de masses solaires.

Pourquoi était-il plus difficile que M87* malgré sa proximité ?

Sgr A* est bien plus proche que le trou noir de la galaxie M87, mais son image a été plus difficile à obtenir. Le gaz autour des deux trous noirs se déplace presque à la vitesse de la lumière ; Sgr A* étant beaucoup moins massif et plus petit, le gaz fait le tour de son anneau en quelques minutes seulement. Pendant que les télescopes terrestres recueillaient des données durant des heures, la luminosité et la structure de la cible changeaient sans cesse.

Le résultat publié n’est donc pas une photographie ordinaire d’un instant figé. Les chercheurs ont produit de nombreuses reconstructions à partir de modèles présentant différentes variations temporelles, puis retenu dans des images représentatives l’anneau et la baisse de luminosité centrale communs à plusieurs algorithmes indépendants. Les données et les méthodes d’analyse de l’EHT ont également été rendues publiques pour permettre des réanalyses indépendantes.

Calme, mais pas inactif

Comparé aux noyaux actifs d’autres galaxies, Sgr A* est très peu lumineux et paisible. Ce n’est pas un aspirateur cosmique qui engloutit indistinctement tout ce qui l’entoure : il n’accrète qu’une faible quantité de gaz passée assez près. Les étoiles suffisamment éloignées conservent des orbites stables, comme autour de tout objet de même masse. Le plasma qui progresse vers l’intérieur, en revanche, s’échauffe, évolue rapidement et produit parfois des sursauts infrarouges et X.

En 2024, l’image polarisée de l’EHT a révélé près de l’ombre des champs magnétiques intenses, torsadés et relativement ordonnés. Leur ressemblance avec les champs entourant M87*, pourtant beaucoup plus grand, suggère que la physique par laquelle les trous noirs supermassifs accrètent la matière et génèrent des écoulements pourrait rester similaire à des échelles très différentes. Un jet de Sgr A* n’est toutefois pas encore confirmé : il demeure une hypothèse à tester par l’observation.

Comment lire les indices observationnels

Les valeurs sont approximatives et incluent des incertitudes observationnelles dépendant des modèles. En particulier, « ombre », « horizon des événements » et « anneau lumineux » ne désignent pas la même frontière.

Sources

• Event Horizon Telescope Collaboration — First Sagittarius A* EHT Results I
• Event Horizon Telescope — First image of the Milky Way black hole
• ESO — S2 Schwarzschild precession around Sagittarius A*
• NASA — What is the center of our galaxy like?
• Event Horizon Telescope — Polarized view of Sagittarius A*