L’étoile la plus rapide de la Voie lactée orbite si près de notre trou noir supermassif qu’elle en ressent la rotation
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Des astronomes ont découvert l’étoile la plus rapide connue dans notre galaxie, la Voie lactée, en orbite autour du trou noir situé en son centre. Cette étoile, nommée S301, a été détectée à l’aide de l’interféromètre du Très Grand Télescope (VLTI) de l’Observatoire européen austral (ESO) et atteint des vitesses de 25 000 km/s en tourbillonnant autour du trou noir de quatre millions de masses solaires. Elle s’en approche plus près que toute autre étoile observée à ce jour, au point de subir les effets de la rotation du trou noir.
Légende de l'image : images du VLT de l’étoile S301 en orbite autour de Sagittarius A (Crédit : ESO/Collaboration GRAVITY).
« Des décennies d’observation minutieuse des étoiles orbitant autour du trou noir central de notre galaxie, Sagittarius A, ont conduit à cette découverte révolutionnaire : une étoile très prometteuse. Comme elle orbite si près de Sagittarius A, S301 ouvre une nouvelle fenêtre sur les propriétés fondamentales de l’espace-temps dans cet environnement extrême de trou noir », déclare Reinhard Genzel, lauréat du prix Nobel, directeur à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) à Garching, en Allemagne, et membre fondateur de la collaboration à l’origine des nouvelles observations.
« Ce qui rend cette étoile spéciale, c’est qu’elle orbite autour de Sagittarius A sur une trajectoire très serrée, qu’elle parcourt en seulement 8,7 ans, et qu’elle s’approche du trou noir à une distance de seulement 12 fois celle entre la Terre et le Soleil. C’est sans précédent »*, explique Felix Mang, doctorant au MPE et auteur principal de l’étude publiée aujourd’hui dans la revue Nature.
Lors de son passage le plus proche du trou noir, l’étoile se déplace à environ 25 000 kilomètres par seconde — soit 100 000 fois plus rapide qu’un avion commercial, ou plus de 8 % de la vitesse de la lumière —, ce qui en fait l’étoile la plus rapide de la Voie lactée. S301 s’approche également plus près de Sagittarius A que toute autre étoile observée à ce jour, se rapprochant du trou noir à une distance comparable à celle de Saturne au Soleil [1]. Comme S301 s’approche si près de Sagittarius A, c’est la première étoile connue qui pourrait permettre de mesurer directement la rotation d’un trou noir.
Comme la plupart des objets de notre Univers, les astronomes prédisent que Sagittarius A* est en rotation. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, un trou noir en rotation entraîne l’espace-temps avec lui et le déforme, ce qui influence les orbites des étoiles environnantes. Cet effet est d’autant plus marqué pour les objets orbitant à proximité d’un trou noir en rotation rapide.
« Avec cette étoile, nous espérons mesurer, dans les dix prochaines années, la rotation du trou noir », précise Felix Mang. « Pour la première fois, nous pourrions mesurer très directement la rotation d’un trou noir massif, ce qui constituerait un test clé de la théorie d’Einstein », ajoute Stefan Gillessen, chercheur au MPE et coauteur de l’étude.
Détecter S301, qui apparaît deux milliards de fois moins brillante que Bételgeuse (l’étoile orange de la constellation d’Orion) dans le ciel, n’a pas été une tâche aisée. L’équipe a utilisé le VLTI (Very Large Telescope Interferometer), une installation de l’observatoire de Paranal de l’ESO au Chili, ainsi que son instrument GRAVITY, désormais appelé GRAVITY+ après une mise à niveau de l’infrastructure [2].
La force du VLTI réside dans sa capacité à combiner la lumière de quatre télescopes de 8 mètres pour créer un télescope « virtuel » doté d’une résolution spatiale 15 fois supérieure à celle d’un télescope unique de 8 mètres. « À l’échelle mondiale, Paranal est le seul endroit où ce type d’observations est possible, car aucun autre observatoire au monde ne dispose de quatre télescopes de 8 mètres pouvant fonctionner ensemble comme un interféromètre », explique Frank Eisenhauer, chercheur principal de GRAVITY+ et directeur au MPE.
Grâce à GRAVITY, puis à GRAVITY+, l’équipe a réussi à apercevoir pour la première fois la nouvelle étoile au printemps 2023 et l’a suivie depuis pour déterminer son orbite. Les chercheurs ont également pu retracer l’historique orbital de S301 jusqu’en 2017, découvrant qu’elle avait effectué son dernier passage au plus près du trou noir central au début de l’année 2023. Les propriétés orbitales de S301, ainsi que le fait que les étoiles ne peuvent pas se former si près d’un trou noir massif, indiquent que cette étoile faisait probablement partie d’un système binaire qui a été disloqué par les forces de marée de Sagittarius A*. Dans ce processus, S301 a été piégée par la gravité du trou noir, tandis que son étoile compagne a été éjectée à haute vitesse, probablement suffisamment pour quitter la galaxie.
Les observations de suivi avec GRAVITY+ et avec l’instrument MICADO du futur Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO seront cruciales pour suivre la trajectoire de S301 au cours de la prochaine décennie, notamment lors de son prochain passage au plus près en 2031. Observer au moins deux orbites complètes de S301 permettra de déterminer sa trajectoire avec une précision suffisante pour que l’équipe puisse mesurer directement la rotation de Sagittarius A* pour la première fois.
« Ce serait un rêve qui deviendrait réalité », déclare Felix Mang.
Notes [1] À son approche la plus proche, S301 passe à seulement 1,78 milliard de km du trou noir, soit environ 12 fois la distance Terre-Soleil, ou juste 20 % de plus que la distance Soleil-Saturne. [2] Après des décennies de cartographie des étoiles orbitant autour du centre de la Voie lactée à l’aide de différentes installations de l’ESO, l’équipe utilise l’instrument GRAVITY sur le VLTI à cette fin depuis 2017. Une série de mises à niveau apportées à la fois à l’instrument et à l’interféromètre, appelée GRAVITY+, a été mise en œuvre progressivement au cours des dernières années, ce qui leur a permis de détecter des objets de plus en plus faibles.
Informations complémentaires Publication scientifique Cette recherche a été présentée dans un article de la collaboration GRAVITY+ intitulé : « Discovery of a star sensitive to the spin of Sgr A » (Découverte d’une étoile sensible à la rotation de Sgr A), à paraître dans la revue Nature (DOI : 10.1038/s41586-026-10894-w).
L’équipe est composée des chercheurs suivants (par ordre alphabétique) : K. Abd El Dayem, R. Abuter, N. Aimar, P. Amaro-Seoane, A. Berdeu, J. P. Berger, G. Bourdarot, W. Brandner, A. Burkert, D. Calderon, C. Correia, J. Cuadra, R. Davies, D. Defrère, L. Delit, A. Drescher, F. Eisenhauer, L. Esteras Otal, M. Fabricius, H. Feuchtgruber, N. M. Förster Schreiber, A. Foschi, P. Garcia, R. Garcia Lopez, A. Generozov, R. Genzel, S. Gillessen, F. Gonté, X. Haubois, S. F. Hönig, M. Houllé, S. Joharle, A. Kaufer, J. Kammerer, P. Kervella, J. Kolb, L. Kreidberg, R. Laugier, S. Lacour, O. Lai, J.-B. Le Bouquin, J. Leffey, B. Lopez, D. Lutz, F. Mang, A. Mérand, F. Millour, M. Montargès, N. Morujão, H. Nowacki, M. Nowak, S. Oberti, J. Osorno, T. Ott, T. Paumard, C. Paladini, H. B. Perets, K. Perraut, G. Perrin, R. Petrov, P. O. Petrucci, T. Piran, N. Pourré, S. Rabien, D. C. Ribeiro, S. Robbe-Dubois, M. Sadun Bordoni, J. Sánchez Bermúdez, D. Santos, R. Sari, J. Sauter, S. Scheithauer, J. Scigliuto, J. Shangguan, T. T. Shimizu, F. Soulez, J. Stadler, C. Straubmeier, E. Sturm, M. Subroweit, C. Sykes, L. J. Tacconi, P. Thévenet, I. Urso, F. Vincent, J. Woillez, G. Zins.
Affiliations détaillées disponibles dans la version originale du communiqué. L’Observatoire européen austral (ESO) permet aux scientifiques du monde entier de percer les secrets de l’Univers pour le bénéfice de tous. Nous concevons, construisons et exploitons des observatoires de classe mondiale au sol — que les astronomes utilisent pour aborder des questions passionnantes et diffuser la fascination pour l’astronomie —, et nous favorisons la collaboration internationale en astronomie. Fondé en 1962 en tant qu’organisation intergouvernementale, l’ESO est aujourd’hui soutenu par 16 États membres : Autriche, Belgique, République tchèque, Danemark, France, Finlande, Allemagne, Irlande, Italie, Pays-Bas, Pologne, Portugal, Espagne, Suède, Suisse et Royaume-Uni. L’ESO est également soutenu par l’État hôte, le Chili, et par l’Australie en tant que partenaire stratégique. Le siège social de l’ESO, son centre d’accueil des visiteurs et son planétarium, l’ESO Supernova, sont situés près de Munich, en Allemagne, tandis que le désert d’Atacama, au Chili — un lieu magnifique offrant des conditions uniques pour observer le ciel — accueille nos télescopes. L’ESO opère les trois sites d’observation suivants : La Silla, Paranal et Chajnantor. Chajnantor. À Paranal, l’ESO exploite le Very Large Telescope (VLT) et son interféromètre (VLTI), ainsi que des télescopes de sondage tels que VISTA. Toujours à Paranal, l’ESO accueillera et exploitera le réseau sud de l’Observatoire Cherenkov Telescope Array, le plus grand et le plus sensible observatoire de rayons gamma au monde. Avec des partenaires internationaux, l’ESO exploite ALMA à Chajnantor, une installation qui observe le ciel dans les domaines millimétrique et submillimétrique. À Cerro Armazones, près de Paranal, nous construisons « le plus grand œil du monde tourné vers le ciel » : l’Extremely Large Telescope de l’ESO. Depuis nos bureaux de Santiago, au Chili, nous soutenons nos opérations dans le pays et collaborons avec des partenaires chiliens et la société.
