Nous avons trouvé l’étoile la plus rapide connue dans la Voie lactée. Dans l’environnement extrême du centre de notre galaxie, une étoile récemment découverte, appelée S4714, tourne autour du trou noir supermassif Sagittarius A*.
Au cours de son voyage orbital, S4714 atteint une vitesse égale à environ 8 % de la vitesse de la lumière, soit 24 000 kilomètres par seconde (15 000 miles par seconde), ce qui est absolument stupéfiant. Mais ce n’est pas le plus étonnant.
S4714 fait partie d’un groupe d’étoiles qui ont été découvertes en train de frôler Sgr A* sur des orbites plus proches que toutes les autres étoiles découvertes auparavant.
Non seulement cette découverte suggère qu’il y a encore plus d’étoiles sur des orbites casse-cou autour du trou noir supermassif de notre galaxie, mais elle nous donne aussi les premiers candidats pour un type d’étoile proposé à l’origine il y a près de 20 ans – celles qui se rapprochent tellement d’un trou noir qu’elles sont “écrasées” par ses forces de marée. Elles sont également connues sous le nom de “squeezars”.
La région située au centre de la Voie lactée est peut-être calme par rapport aux centres galactiques plus actifs, mais même l’environnement d’un trou noir supermassif calme peut devenir assez sauvage.
Les astronomes qui étudient la région ont identifié un certain nombre d’étoiles sur des orbites longues, en boucle et fortement elliptiques autour de Sgr A* – pensez à un ovale, avec le trou noir à une extrémité. Ces étoiles sont appelées étoiles S, et nous pouvons les utiliser pour sonder les propriétés de l’objet invisible gargantuesque autour duquel elles gravitent.
Pendant des années, une étoile appelée S2 a été considérée comme l’étoile la plus proche du trou noir. Lors de son approche la plus proche, ou périapse, son orbite de 16 ans l’a amenée à environ 18 milliards de kilomètres de Sgr A*, le coup gravitationnel de cette approche rapprochée accélérant l’étoile à 3 % de la vitesse de la lumière. Il a fallu un travail minutieux pour observer et caractériser cette orbite.
Mais l’année dernière, une équipe dirigée par l’astrophysicien Florian Peissker, de l’université de Cologne en Allemagne, a découvert une étoile beaucoup plus faible, mais aussi beaucoup plus proche : S62.
Sur une orbite de 9,9 ans, elle frôle pratiquement Sgr A* à une distance périaphasique de 2,4 milliards de kilomètres. C’est plus proche que la distance moyenne entre Uranus et le Soleil. En tournant en boucle, elle atteint des vitesses de 20 000 kilomètres par seconde (12 400 mps), soit 6,7 % de la vitesse de la lumière.
Mais Peissker et son équipe n’avaient pas fini. Après des années de travail, ils ont maintenant découvert cinq nouvelles étoiles S encore plus proches que S2 – S4711, S4712, S4713, S4714 et S4715.
“Je suis heureux d’avoir eu l’occasion de travailler et d’observer (avec le Very Large Telescope) le centre galactique au cours des sept dernières années”, a déclaré Peissker à ScienceAlert.
“Depuis lors, je travaille sur les données SINFONI (proche infrarouge). Il faut des compétences en matière de réduction des données, un bon œil, un peu de chance et du temps. Et bien sûr, une bonne connaissance des filtres passe-bas et passe-haut.”
Parmi les nouvelles étoiles, S4711 et S4714 sont les plus remarquables.
S4711, une étoile bleue de type B âgée d’environ 150 millions d’années, a une période orbitale encore plus courte que S62 ; elle fait le tour de Sgr A* une fois tous les 7,6 ans, avec une distance périapside de 21,5 milliards de kilomètres.
Bien qu’elle ne soit pas aussi proche, sa période orbitale plus courte signifie qu’elle présente la distance moyenne la plus courte par rapport au trou noir sur toute son orbite que nous ayons découverte jusqu’à présent.
Quant à S4714, sa période orbitale est plus longue que celle de S4711 (12 ans), mais son orbite est extrêmement excentrique, ce qui signifie que la forme de l’ellipse est allongée, aussi allongée que peut l’être une orbite stable. L’excentricité orbitale est décrite par des valeurs de 0 à 1, 0 correspondant à un cercle parfait et 1 à une orbite de fuite. S4714 a une excentricité orbitale de 0,985.
Au périapse, elle se rapproche davantage de S62, s’approchant à environ 1,9 milliard de kilomètres (1,2 milliard de miles) de Sgr A*. Au cours de cette approche, l’étoile accélère jusqu’à 24 000 kilomètres par seconde, puis ralentit en s’éloignant jusqu’à 250 milliards de kilomètres du trou noir.
Selon M. Peissker, ces étoiles extrêmes sont les premières candidates réelles aux squeezars, dont la théorie remonte à 2003.
Les astrophysiciens Tal Alexander et Mark Morris ont proposé une classe d’étoiles sur des orbites très excentriques autour de trous noirs massifs. À chaque passage, les forces de marée convertissent une fraction de l’énergie orbitale proche de l’étoile en chaleur. Cela a pour effet, d’une part, de faire briller l’étoile plus qu’elle ne le ferait normalement et, d’autre part, de contribuer à la désintégration orbitale de l’étoile. En d’autres termes, les squeezars sont des étoiles mortes en orbite.
“Au moins S4711 et S4714 sont des candidats squeezars”, a déclaré Peissker. “Je dirais même que je suis sûr de S4711 puisque les éléments orbitaux sont conformes aux prédictions de Tal Alexander en 2003. En ce sens, S4711 est le tout premier squeezar jamais détecté”
Si elles sont confirmées, ces étoiles pourraient nous aider à comprendre les interactions entre les trous noirs et les étoiles qu’ils dévorent (éventuellement). Mais elles offrent également d’autres possibilités.
S2, par exemple, a récemment été utilisée pour tester la relativité générale. La façon dont la lumière de l’étoile s’étire lorsqu’elle s’approche du trou noir, et la façon dont son orbite se déplace comme un spirographe, ont confirmé la théorie d’Einstein dans certains des tests les plus rigoureux jamais réalisés.
“Nous sommes en fait une magnitude plus proche de Sgr A* et presque quatre fois plus rapides que S2 pendant son passage au péricentre”, a expliqué Peissker. “Avec cela, nous trouvons en fait des interactions relativistes plus fortes avec les étoiles S62, S4711 et S4714 qu’avec S2.”
Ces tests doivent encore être effectués, et SINFONI a depuis été mis hors service, de sorte que l’obtention d’observations pourrait prendre encore un peu de temps. Mais ce projet est certainement sur le radar de l’astrophysique.
Il en va de même pour la recherche d’un plus grand nombre de ces étoiles proches. Il est possible que des vitesses et des orbites encore plus extrêmes se cachent dans la région autour de Sgr A* – et grâce aux télescopes plus puissants qui seront lancés dans les années à venir, notamment l’Extremely Large Telescope, nous devrions être en mesure de les trouver.
Ce n’est qu’une question de temps.
“Je travaille constamment sur le centre galactique et je suis à peu près sûr que ce n’était pas notre dernière publication”, a déclaré Peissker, avec un emoji de clin d’œil. “L’environnement hautement dynamique est pour les scientifiques comme un magasin de bonbons pour les enfants”
Les recherches ont été publiées dans la revue The Astrophysical Journal.