Le blog de cepheides

Publié le 5 Octobre 2013 par cepheides

Publié dans : #astronomie

DE L'ASTRONOMIE : Sagittarius A, le trou noir central de notre galaxie

Longtemps, l’existence même de trous noirs fut contestée par les scientifiques qui y discernaient une théorie sans l’ombre d’une preuve. Il faut dire que, par définition, il est impossible de « voir » un trou noir puisque ce type d’objets astronomiques est le tombeau de toutes choses : même la lumière qu’ils absorbent ne ressort jamais. Restaient les signes indirects prédits par la théorie ou, pour dire autrement, les conséquences de la présence du trou noir sur son environnement.

Jusque vers la moitié du siècle dernier, on se perdait en conjectures et la croyance ou non en ce phénomène étrange dépendait totalement du scientifique concerné. Aujourd’hui, il n’est plus guère d’esprits sérieux qui contestent leur existence : d'ailleurs, la première photographie d'un trou noir (celui de la galaxie M87) a été présenté au grand public en avril 2019. De fait, la plupart des scientifiques sont à présent persuadés qu’il existe un trou noir massif au centre de chaque galaxie tandis que d’autres, bien plus petits, parsèment l’espace galactique. Toutes les galaxies ? Donc aussi la nôtre ? Eh oui, et « notre trou noir central » s’appelle Sagittarius A : nous allons essayer de le décrire.

Trous noirs

Avant d’examiner ce que nous savons du nôtre, il convient néanmoins de brièvement revenir sur ce qu’est réellement un trou noir (pour des informations plus complètes, on se reportera au sujet spécifique déjà traité ici).

Origine des trous noirs

Tout commence avec les fins de vie des étoiles les plus grosses. On a déjà évoqué la mort d’étoiles comme notre Soleil, une naine jaune, qui terminent leur existence sous la forme d’une géante rouge dont le cadavre devenu secondairement une naine blanche s’éteindra peu à peu. Les étoiles de plus de huit fois la masse du Soleil ne suivent pas cette voie : leur carburant épuisé, elles se transforment en supernovas qui, d’un coup, illuminent toute leur galaxie (pourtant composée de milliards d’étoiles) durant plusieurs semaines tant la débauche d’énergie est alors importante. Une fois le phénomène dissipé, on ne trouvera plus à la place de l’astre mourant que son cœur, une petite sphère résiduelle de quelques dizaine de km mais concentrant tant de matière que seuls des neutrons pourront y subsister effroyablement comprimés : c’est une « étoile à neutrons ». Ce reste d’étoile est souvent le siège d’un champ magnétique intense et, animé d’une rotation plus ou moins rapide, il enverra dans l’espace un signal régulier : on parlera alors de pulsar.

Mais – et c’est le but de ce bref retour sur leurs fins de vie – certaines de ces étoiles sont si grosses que même une transformation en étoile à neutrons n’est pas possible. Lorsqu’un astre dépasse de plus de quarante fois la masse de notre Soleil, son cœur résiduel est alors gros comme trois fois notre étoile : la matière dégénérée qu’il contient ne peut plus s’opposer aux forces gravitationnelles et ce cœur instable s’effondre sur lui-même formant un trou noir, c'est-à-dire un endroit dont plus rien ne peut ressortir, pas même la lumière. Que devient-elle cette matière ainsi « phagocytée » et sur quoi peut bien donner cet endroit si particulier ? Nul ne le sait et notre physique traditionnelle n’y a pas cours…

Différents types de trous noirs

On pense que, rien que dans notre galaxie, il existerait ainsi plusieurs dizaines de millions de trous noirs dits « stellaires » car provenant de l’effondrement sur elles-mêmes d’étoiles massives. Le plus souvent, ce sont des sources intenses de rayons X, preuve de la destruction de la matière, qui trahissent la présence de ces astres obscurs. Fréquemment, un trou noir est couplé à une autre étoile avec laquelle il forme un couple bizarre puisque l’étoile visible semble isolée et c’est uniquement le rayonnement X qui trahit ce compagnon prédateur au fur et à mesure qu’il lui arrache la matière qui la constitue…

Mais il existe un deuxième type de trous noirs, bien plus gigantesques, les trous noirs centraux des galaxies. Ici, nous avons affaire à des montres cosmiques qui ont grossi au fil du temps en avalant toute la matière à leur portée, étoiles, nuages de gaz, etc. Les scientifiques estiment ainsi que, en dix milliards d’années ce qui est à peu près l’âge de la plupart des galaxies, un trou noir central peut atteindre jusqu’à un milliard (voire plus) de masses solaires et devenir aussi volumineux que notre système solaire tout entier !

Mettre en évidence un trou noir

Il est possible de repérer les alentours d’un de ces trous noirs géants en recherchant les phénomènes qui trahissent sa présence ; pour cela, il est nécessaire que le monstre soit actif et phagocyte de la matière, par exemple une étoile qui passerait imprudemment trop près de lui ; alors, cette matière qui s’échauffe au contact du trou noir va illuminer l’endroit avant de disparaître à jamais dans le néant.

Mettre en évidence un objet que, par définition, on ne peut pas voir semble du domaine de l'impossible. C'est néanmoins ce que les scientifiques ont tenté pour notre Galaxie mais la quête de ce mystérieux objet fut longue et difficile en raison de l'épaisse et infranchissable (pour la lumière visible) barrière de poussière qui se trouve entre nous et le centre de la Galaxie :

* tout commence en 1974 aux USA (précisément à Green Bank, en Virginie occidentale, USA) où deux astronomes, Bruce Balick et Robert Brown, braquant leur radiotélescope aux confins du Sagittaire et du Scorpion, repèrent une intense source de rayonnement radio : il la baptisent Sagittarius A. Plus encore, au sein de cette première source, ils en identifient une seconde encore plus forte et surtout ponctuelle. L'affaire en reste là jusqu'en 1990.

* la source en regard de la constellation du Sagittaire est à nouveau observée mais cette fois dans des longueurs d'onde radio millimétriques (donc ultracourtes, à la frontière de l'infrarouge) ce qui permet de confirmer que la source est effectivement ponctuelle; or, les scientifiques utilisent pour leur étude le réseau VLBA (Very Long Baseline Array), c'est à dire un ensemble de radiotélescopes dont l'association correspond à un outil d'environ 8 000 km de diamètre : ils en déduisent que la source a la taille d'une étoile supergéante de quelques dizaines de millions de km.

* quelques années plus tard, au tournant du millénaire, des télescopes géants optiques mais équipés de récepteurs infrarouges mettent en évidence la source : la source se trouve à près de 27 000 années-lumière, derrière l'épais tapis de poussière et de gaz.

* une équipe allemande, utilisant le Very Large Telescope, un des engins les plus puissants du moment, observe durant de longues années des étoiles supergéantes qui tournent autour de la source, Sagittarius A. Une des étoiles orbitant autour d'elle s'approche à moins de 18 milliards de km d'elle ce qui prouve que la taille de la source est peu importante. À partir de la vitesse des étoiles orbitant autour, ils en estiment la masse à environ quatre millions de masses solaires. Une masse aussi importante dans un aussi petit volume ? Il n'y a qu'un objet astronomique qui correspond : un trou noir.

Lorsqu’on regarde les galaxies lointaines et donc vers le passé, on se rend compte que ces dernières abritent très souvent des sources lumineuses incroyablement intenses (jusqu’à 1000 milliards de fois la lumière solaire), des jaillissements de lumière qu’on appelle des quasars tant ils ressemblent à des étoiles (quasi-stars) mais à une autre échelle : il s’agit des trous noirs des débuts des temps galactiques brillant de mille feux car ils dévorent (ou plutôt dévoraient) des armées d’étoiles. Plus proches de nous, les trous noirs galactiques centraux sont beaucoup plus sages, entourés qu’ils sont par le « no man’s land » qu’ils ont eux-mêmes généré… Et c’est bien le cas de « notre » trou noir, celui qui siège au sein de la Voie lactée, et qu’on a appelé Sagittarius A (ou encore plus simplement Sgr A*).

Sagittarius A

De l’endroit où nous nous trouvons, en périphérie, nous voyons notre galaxie par la tranche sous la forme d’une trainée blanchâtre, floue et laiteuse, la Voie lactée. Le véritable centre de la Galaxie (Galaxie avec un G signifie, par convention, que c’est la nôtre) se trouve dans la direction de la constellation du Sagittaire et il ne peut pas être visible tant il existe entre lui et nous quantité de poussières cosmiques et de bancs de gaz infranchissables par la lumière (on estime que seul un photon sur mille milliards arrive à traverser un tel obstacle). Heureusement, il reste d’autres rayonnements permettant l’observation : rayonnements radio, infrarouge, gamma ou rayons X. Les radiotélescopes et les satellites artificiels peuvent dont étudier le centre de la Galaxie…

Précisons d’emblée que l’étude de « notre » trou noir est rendue particulièrement ardue du fait que celui-ci est actuellement très peu actif et donc peu « visible ». C’est dans une région relativement réduite (moins de 30 années-lumière) que fut mise en évidence, dans les années 90, une intense source d’ondes radio au centre de la Voie lactée. Après avoir éliminé toutes les causes possibles d’une telle émission (pulsars, restes de supernovas, etc.), seule l’existence d’un trou noir pouvait expliquer le phénomène. Une preuve supplémentaire fut apportée les années suivantes lorsque, leurs instruments devenant encore plus performants, les scientifiques purent observer individuellement les étoiles gravitant à proximité de cette zone ; celles-ci sont si proches du trou noir qu’elles orbitent autour de lui en quelques dizaines d’années. L’une d’entre elles, baptisée S2, va même jusqu’à faire un tour complet de l’endroit en seulement 15 ans. Du coup, en observant avec précision les orbites de ces étoiles et selon la troisième loi de Kepler, il est devenu possible d’estimer la masse de l’objet central : 4,3 millions de masses solaires, le tout compris dans un espace de 0,5 à 1 unité astronomique (UA). Pour mémoire, rappelons qu’une UA est la distance séparant la Terre du Soleil, soit un peu moins de 150 millions de km : en somme, ce trou noir central a une taille qui, dans notre système solaire, pourrait l'amener à l’orbite de notre planète. On comprend donc qu’une masse si colossale en un espace si réduit (en termes astronomiques évidemment) ne peut être qu’un trou noir et c’est Sgr A*.

Notre trou noir est situé à environ 26 000 années-lumière de nous ce qui veut dire, en d’autres termes, que ce que nous voyons de lui aujourd’hui est une image datant de 26 000 ans. A cette époque, sur Terre, c’était le paléolithique supérieur, au moment de la fin de l’aurignacien (ou pour être plus précis du gravettien qui venait de lui succéder). Il commençait à faire très froid car c’était le début de la dernière glaciation ; Homo Sapiens s’était lancé dans l’élaboration de vrais outils en silex et décorait des grottes avec des représentations figuratives qui étaient déjà des œuvres d’art.

Or, il y a 26 000 ans, un nuage de gaz lourd comme trois fois la Terre a commencé à s’enrouler autour de Sagittarius et, tombant vers lui, l’a en quelque sorte « réveillé », lui si tranquille que les astronomes le rangent parmi les trous noirs les plus calmes jamais observés. Eh bien, ce calme risque de disparaître puisque c’est seulement à présent que nos instruments peuvent capter cet événement si particulier.

En effet, il y a deux ans, en 2011, les astronomes travaillant sur le VLT (Very Large Telescope du désert d’Atacama, au Chili) ont repéré une sphère gazeuse d’une masse équivalente à trois fois la Terre, nommée par eux G2, et qui semblait se diriger droit sur Sgr A*. Les calculs s’affinant, les scientifiques purent confirmer que, cette nuée gazeuse massive s’approchant à environ 40 milliards de km de Sgr A*, les forces d’attraction de ce dernier devraient être suffisantes pour attirer au moins une partie du gaz. Dès lors, on sait en principe ce que l’on observera : avant d’être happée par le trou noir et disparaître au delà de ce que l’on appelle son « horizon » (le dernier espace avant… l’inconnu), et en raison de forces de pression colossales, la matière va s’embraser en entrant dans ce que l’on appelle le disque d’accrétion de Sagittarius. Rappelons que le disque d’accrétion d’un trou noir est l’endroit orbital autour de lui où la matière subit de plein fouet les forces gravitationnelles ce qui l'attire inéluctablement vers le corps central. D’abord « visible » en infrarouge par simple effet thermique, la collision va illuminer progressivement le disque d’accrétion ce qui sera alors visible en rayonnement X, seul témoin de l’événement pour nous puisque la lumière intense apparaissant alors ne pourra néanmoins pas transpercer les obstacles épais nous en séparant. Ce sera la première fois que les instruments enregistreront un tel phénomène depuis que les scientifiques observent systématiquement le trou noir… d’où leur impatience. Quand cela se produira-t-il ? Eh bien entre août 2013 et le début de l’année 2014, c'est-à-dire en ce moment ! Toutefois, je le reprécise bien : nous observons aujourd’hui un événement qui s’est produit il y a 26 000 ans, vitesse limitée de la lumière oblige.

Une source nouvelle d’information sur les trous noirs

Des trous noirs bien plus gigantesques sont étudiés par les scientifiques mais Sgr A* possède un énorme avantage sur les autres. Bien que modeste (pour ce que nous en savons), c’est celui de notre galaxie ce qui sous-entend qu’on peut observer son environnement proche et notamment les corps célestes qui gravitent à sa proximité (ce qu’il est impossible de faire avec les trous noirs siégeant dans les autres galaxies car le pouvoir de résolution de nos instruments est encore trop faible). De ce fait, on pourra peut-être répondre à certaines questions que se posent les astronomes : que se passe-t-il vraiment au centre de la Galaxie, un endroit peu connu car difficile à étudier ? Pourquoi notre trou noir est-il si peu actif ? Comment expliquer sa taille (relativement) réduite par rapport à certains autres trous noirs galactiques ? Sgr A* participe-t-il à la formation de nouvelles étoiles comme le suggèrent certaines théories récentes sur les rôle des trous noirs (voir le sujet : juste après le Big bang) ?

On le voit, on se prend à rêver que, grâce à un événement somme toute banal survenu à un moment bien antérieur à nos civilisations actuelles, nous pourrons disposer très bientôt de renseignements particulièrement intéressants sur le trou noir central de la Galaxie (et, du coup, peut-être sur les autres). Réponse dans quelques mois.

Brêve : le calcul de la masse d'un trou noir

Décembre 2013. De nombreuses galaxies abritent en leur sein un trou noir supermassif. Un astre si dense qu'il absorbe toute ce qui passe à sa portée, même la lumière... ce qui le rend invisible. les astronomes américains du Galactic Center Group de l'UCLA (l'université de Californie) ont néanmoins réussi à caractériser celui qui trône au centre de la Voie lactée. Grâce au télescope Keck d'Hawaï, ils ont étudié les orbites de plusieurs étoiles du centre galactique. Une tache ardue car cette région, située à 30 000 années-lumière de la Terre, est masquée par un épais écran d'étoiles et de poussière. En 2013 ils ont consigné sur un relevé les positions annuelles moyennes de huit des ces étoiles centrales depuis 1995. A partir de ces tracés, la masse de l'objet central a pu être calculée. Verdict : il s'agit bien d'un trou noir supermassif - Sagittarius A* - dont la masse avoisine les 4 millions de Soleil ! Les chercheurs poursuivent leurs relevés d'année en année pour calculer précisément sa position et l'ampleur de ses mouvements dans le ciel.

(sources : d'après Science & Vie, HS n° 267, juin 2014)

Sources

1. Science & Vie, n° 1151, août 2013

2. revue ciel et espace (cieletespace.fr)

3. Wikipedia

4. www.futura-sciences.com

5. hominide.com

Images

1. Voie lactée (sources : Serge Brunier in science-et-vie.com)

2. supernova 1994D (sources : newyorker.com)

3. binaire avec trou noir (sources : bouillonsdecultures.blogspot.com)

4.quasar 3C186 (sources : nasa.gov)