L’étoile S301 orbite autour de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée, sur la trajectoire la plus proche et la plus rapide jamais mesurée pour une étoile. Cette proximité extrême donnerait accès, pour la première fois, à la rotation du trou noir.
Une équipe de l’institut Max-Planck de physique extraterrestre a repéré S301 au printemps 2023, grâce à l’instrument GRAVITY du Très Grand Télescope interférométrique, au Chili. L’étoile boucle une orbite complète en 8,7 ans, contre plus de seize ans pour S2, l’astre précédemment le plus rapproché connu de Sagittarius A*.
À son point le plus proche, S301 passe à environ douze unités astronomiques du trou noir, soit la distance entre le Soleil et Saturne. Sa vitesse culmine alors à 25 000 kilomètres par seconde, 8,3 % de la vitesse de la lumière, cent mille fois la vitesse d’un avion de ligne. Le prochain passage au plus proche du trou noir aura lieu en 2031.
L’orbite de S301 subit deux effets prédits par la relativité générale
Le premier effet, la précession de Schwarzschild, courbe légèrement l’orbite à chaque révolution, un phénomène observé pour la première fois sur Mercure. En 1915, Albert Einstein a calculé, à partir de sa théorie de la relativité générale, l’avance de 43 secondes d’arc par siècle du périhélie de Mercure, restée inexpliquée par la mécanique newtonienne. Cent onze ans plus tard, la précession de S301 reproduit le mécanisme, mais à une échelle bien plus extrême, en orbite autour d’un objet quatre millions de fois plus massif que le Soleil. Le demi-grand axe de l'orbite mesure 83 millisecondes d’arc, un tiers de moins que celui de S2. Son excentricité atteint 0,98, pour un point le plus proche situé entre 136 et 142 rayons de Schwarzschild, une distance dix fois plus resserrée que celle de S2 à son propre périastre.
Le second effet, la précession de Lense-Thirring, résulte de la rotation propre du trou noir. Cette rotation emporte l’espace-temps environnant dans son mouvement, une distorsion mesurée pour la première fois autour d'un trou noir avec S301. La NASA a mesuré cet effet en 2011 autour de la Terre, avec le satellite Gravity Probe B, mais dans le champ gravitationnel bien plus faible de notre planète. L’expérience a coûté 750 millions de dollars, environ 646 millions d’euros, pour une incertitude proche de 20 % sur la mesure. Autour de Sagittarius A*, l’incertitude attendue sur la mesure du spin est inférieure à 20 %, pour une détection de la rotation maximale avec une confiance supérieure à cinq écarts-types.
L’institut Max-Planck espère mesurer directement la rotation du trou noir d’ici à dix ans
Plus d’une centaine de chercheurs de la collaboration GRAVITY signent l’étude parue dans Nature, sous la direction de K. Abd El Dayem. Reinhard Genzel dirige l’équipe de l’institut Max-Planck à l’origine de la découverte. Selon lui, les astronomes pourraient, pour la première fois, mesurer très directement la rotation d’un trou noir massif.
Felix Mang, doctorant au sein de cette équipe et auteur correspondant de l'étude publiée par l'institut Max-Planck, a déclaré qu’un tel résultat serait « un rêve devenu réalité ». Selon Stefan Gillessen, chercheur à l'institut Max-Planck de physique extraterrestre, cette mesure testerait directement la théorie d'’Einstein.
Deux milliards de fois plus faible que Bételgeuse en luminosité, l’étoile a poussé les astronomes à développer de nouvelles méthodes d’analyse. Selon l'institut Max-Planck, retrouver son signal revient à repérer une luciole dans l’éclat de plusieurs projecteurs.
Les chercheurs prévoient de mesurer le spin du trou noir dans les dix à quinze prochaines années, à l’aide de l’instrument GRAVITY+ et du futur MICADO, sur l’Extremely Large Telescope.
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