S301 orbite Sagittarius A* à 8 % de la lumière et peut enfin mesurer sa rotation

Quelque chose orbite si vite et si près du trou noir central de la Voie lactée que la physique des objets en rotation — pas seulement des objets massifs — devient enfin testable. S301, identifié par une équipe de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre à l’aide du VLTI de l’Observatoire européen austral, passe à moins de 1,78 milliard de kilomètres de Sagittarius A* — une distance comparable à celle qui sépare le Soleil de Saturne. Il le fait à environ 25 000 km/s, soit 8 % de la vitesse de la lumière. Aucune autre étoile suivie dans cette région de la Galaxie n’a jamais atteint une telle vitesse ni une telle proximité.

Ce qui distingue S301 des autres étoiles rapides proches du centre galactique n’est pas seulement sa vitesse — c’est la conséquence. À cette proximité, la relativité générale d’Einstein prédit que le trou noir en rotation entraîne avec lui l’espace-temps environnant, un effet appelé frame-dragging ou effet Lense-Thirring. Parce que S301 s’enfonce si profondément dans cette région, son orbite devrait porter des traces mesurables de la vitesse de rotation de Sagittarius A*. Cela n’a jamais été réalisable avec aucune étoile connue.

« Avec cette étoile, nous espérons mesurer, dans les dix prochaines années, la rotation du trou noir », a déclaré Felix Mang, auteur principal de l’étude et chercheur à l’Institut Max Planck de physique extraterrestre. Aucune mesure directe de la rotation de Sagittarius A* n’existe actuellement. S301 pourrait en fournir une.

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Une classe à part d’étoile S

Sagittarius A* est entouré d’un amas d’étoiles rapides appelées étoiles S, répertoriées depuis trois décennies et utilisées pour cartographier l’influence gravitationnelle du trou noir. La plus connue, S2, a fourni la première preuve directe que Sagittarius A* a une masse de quatre millions de masses solaires — des travaux qui ont valu à Reinhard Genzel et Andrea Ghez le prix Nobel de physique 2020. S2 atteint environ 7 650 km/s à son approche la plus proche, soit environ 2,5 % de la vitesse de la lumière, sur une orbite de 16 ans.

S301 boucle une orbite complète en 8,7 ans — moins de la moitié du temps — et à son approche la plus proche, il se déplace trois fois plus vite que S2 à son propre péricentre. Plus important encore, il passe à environ 12 unités astronomiques de Sagittarius A*, soit environ huit fois plus près que toute autre étoile S connue auparavant. À cette distance, les effets relativistes généraux n’existent pas seulement ; ils s’accumulent dans l’orbite à un rythme que les instruments de Paranal peuvent suivre année après année.

La découverte a été réalisée grâce à GRAVITY+, une mise à niveau de nouvelle génération de l’interféromètre GRAVITY original à l’Observatoire de Paranal de l’ESO au Chili. GRAVITY+ combine la lumière de quatre télescopes de 8,2 mètres pour atteindre la résolution angulaire nécessaire à la résolution d’étoiles individuelles au sein de l’amas stellaire dense et obscurci par la poussière autour du centre galactique. En suivant la position de S301 sur plusieurs époques d’observation, l’équipe a reconstruit son orbite complète avec une précision suffisante pour établir la distance au péricentre et la vitesse maximale.

Pourquoi la rotation est importante

La masse de Sagittarius A* est connue depuis des années. Mais la masse n’est que l’une des deux propriétés fondamentales qu’un trou noir peut posséder, avec la charge électrique — que les trous noirs astrophysiques sont censés perdre rapidement dans des environnements réels. La propriété restante est la rotation. Selon la solution de Kerr des équations de champ d’Einstein, un trou noir en rotation porte un moment angulaire, et cette rotation façonne la géométrie de l’espace-temps qui l’entoure d’une manière qui va au-delà de ce que la masse seule produit.

La vitesse à laquelle Sagittarius A* tourne, et dans quelle direction, régit la structure de son horizon des événements et les orbites de tout ce qui se trouve à proximité. Les estimations actuelles issues de méthodes indirectes — la modélisation de l’émission du disque d’accrétion observée sur l’image de 2022 du télescope Event Horizon — suggèrent qu’il tourne probablement à un rythme modéré, mais les incertitudes restent suffisamment grandes pour couvrir une grande partie de la plage autorisée. Une mesure de la précession orbitale de S301 serait la première détermination directe.

L’effet Lense-Thirring fait que le plan de l’orbite d’une étoile autour d’un corps en rotation précesse — tourne lentement — à un rythme qui dépend du paramètre de rotation du trou noir. Pour S301, l’équipe calcule que cette précession s’accumulera à un niveau détectable au cours des prochaines années d’observation avec GRAVITY+.

Ce que les données ne tranchent pas encore

Plusieurs limites importantes s’appliquent. L’orbite de S301 — sa vitesse, sa période et sa distance au péricentre — est désormais bien établie. La précession due au frame-dragging n’a pas encore été détectée ; c’est une mesure future qui nécessite d’observer l’étoile pendant plusieurs passages supplémentaires autour de Sagittarius A*.

Le centre galactique est également bruyant sur le plan environnemental selon les standards astrophysiques. La distribution des étoiles, du gaz et de la matière noire dans la région génère des perturbations gravitationnelles newtoniennes qui peuvent décaler une orbite d’une manière qui imite la précession relativiste. Extraire le signal Lense-Thirring nécessite de modéliser et de soustraire ces contributions, ce qui ajoute de la complexité et de l’incertitude à la mesure finale.

Enfin, la découverte de S301 est en elle-même une incitation à chercher plus attentivement. L’amas stellaire interne autour de Sagittarius A* est fortement obscurci par la poussière, et GRAVITY+ ne peut sonder que jusqu’à une certaine limite. La possibilité subsiste que d’autres étoiles orbitent encore plus près, avec des signatures orbitales contenant des empreintes relativistes plus fortes ou différentes.

Questions fréquentes sur S301 et Sagittarius A*

Comment les scientifiques ont-ils trouvé une étoile aussi proche du centre galactique ? L’instrument GRAVITY+ du Very Large Telescope Interferometer combine la lumière de quatre télescopes de 8 mètres pour atteindre la résolution nécessaire à la résolution d’étoiles individuelles dans l’amas dense autour de Sagittarius A*. En suivant de minuscules décalages de position sur plusieurs années, l’équipe a reconstruit l’orbite complète de S301.

Qu’est-ce que le frame-dragging, et pourquoi est-ce important ? Une masse en rotation entraîne le tissu de l’espace-temps autour d’elle — plus la rotation est rapide, plus l’entraînement est fort. Près d’un trou noir en rotation, cela modifie les trajectoires orbitales des objets proches d’une manière qui dépend à la fois de l’amplitude et de la direction de la rotation. Le mesurer à partir d’une orbite stellaire donne une lecture directe du moment angulaire du trou noir — ce qu’aucune autre méthode actuelle n’a réalisé pour Sagittarius A*.

Comment S301 se compare-t-il aux autres étoiles S près de Sgr A* ? S2, l’étoile S la plus étudiée, atteint une approche la plus proche d’environ 100 unités astronomiques sur un cycle de 16 ans. S301 s’approche huit fois plus près, en 8,7 ans, à trois fois la vitesse au péricentre. Cette combinaison de proximité et de courte période le rend particulièrement sensible au frame-dragging.

Cela changera-t-il ce que nous savons du trou noir de la Voie lactée ? La rotation de Sagittarius A* n’est actuellement contrainte par aucune mesure directe. La déterminer compléterait la description physique de base du trou noir central de notre Galaxie et ouvrirait des tests de la relativité générale dans un environnement en rotation à champ fort que les orbites stellaires n’avaient pas encore atteint.

Les observations avec GRAVITY+ se poursuivront sur plusieurs périodes orbitales de S301. L’équipe s’attend à ce que la précession due au frame-dragging atteigne des niveaux détectables d’ici une dizaine d’années — un délai suffisamment court pour que les mêmes instruments et la même équipe qui ont découvert S301 réalisent probablement eux-mêmes la mesure de la rotation.

Référence : Mang et al., « S301: a new S star orbiting close to Sagittarius A* », Nature, 2026. DOI : 10.1038/s41586-026-10894-w

Étiquettes: black holes, Sagittarius A*, astronomy, ESO, frame-dragging, S301

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