Les télescopes révèlent la rotation rapide du trou noir de la Voie Lactée, déformant l’espace-temps

Patrick Lesggie

Cette illustration d’artiste montre un coupe transversale du trou noir supermassif et des matériaux environnants au centre de notre galaxie. La sphère noire au centre représente l’horizon des événements du trou noir, le point de non-retour à partir duquel rien, pas même la lumière, ne peut échapper. En regardant le trou noir en rotation de côté, tel que représenté dans cette illustration, l’espace-temps environnant a une forme semblable à celle d’un ballon de football américain. Le matériau jaune-orange des côtés représente le gaz tourbillonnant autour du trou noir. Ce matériau plonge inévitablement vers le trou noir et traverse l’horizon des événements une fois qu’il tombe à l’intérieur de la forme du ballon de football. La région à l’intérieur de la forme de football mais à l’extérieur de l’horizon des événements est donc représentée comme une cavité. Les taches bleues montrent des jets s’échappant des pôles du trou noir en rotation. Crédit : NASA/CXC/M.Weiss

  • Une nouvelle étude pourrait contribuer à répondre à la question de la vitesse de rotation du trou noir supermassif de la Voie lactée.
  • Le trou noir, connu sous le nom de Sagittarius A* (Sgr A*), contient environ 4 millions de fois la masse du Soleil.
  • En utilisant l’Observatoire Chandra X-ray de la NASA et le Very Large Array de la NSF, cette étude a découvert que Sgr A* tourne très rapidement.
  • Cette grande vitesse de rotation déforme l’espace-temps autour de Sgr A* de sorte qu’elle semble avoir la forme d’un ballon de football américain.

Cette illustration d’artiste représente les conclusions d’une nouvelle étude sur le trou noir supermassif au centre de notre galaxie appelé Sagittarius A* (abrégé Sgr A*). Les résultats ont montré que Sgr A* tourne si rapidement qu’elle déforme l’espace-temps – c’est-à-dire le temps et les trois dimensions de l’espace – de sorte qu’elle ressemble davantage à un ballon de football.

Ces résultats ont été obtenus avec l’Observatoire Chandra X-ray de la NASA et le Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF. Une équipe de chercheurs a appliqué une nouvelle méthode qui utilise des données X-ray et radio pour déterminer la vitesse de rotation de Sgr A* en fonction de la façon dont le matériau s’écoule vers et loin du trou noir. Ils ont découvert que Sgr A* tourne avec une vitesse angulaire d’environ 60% de la valeur maximale possible et avec un moment angulaire d’environ 90% de la valeur maximale possible.

Les trous noirs ont deux propriétés fondamentales : leur masse (leur poids) et leur rotation (leur vitesse de rotation). Déterminer l’une ou l’autre de ces deux valeurs en dit long aux scientifiques sur un trou noir et sur son comportement. Par le passé, les astronomes ont fait plusieurs autres estimations de la vitesse de rotation de Sgr A* en utilisant différentes techniques, avec des résultats allant du trou noir ne tournant pas du tout au trou noir tournant presque à la vitesse maximale.

La nouvelle étude suggère que Sgr A* tourne en fait très rapidement, ce qui a pour effet de déformer l’espace-temps autour d’elle. L’illustration montre une coupe transversale de Sgr A* et de matériaux tourbillonnant autour d’elle dans un disque. La sphère noire au centre représente l’horizon des événements du trou noir, le point de non-retour à partir duquel rien, pas même la lumière, ne peut échapper.

En regardant le trou noir en rotation de côté, tel que représenté dans cette illustration, l’espace-temps environnant a une forme semblable à celle d’un ballon de football. Plus la rotation est rapide, plus le ballon de football est plat.

Le matériau jaune-orange des côtés représente le gaz tourbillonnant autour de Sgr A*. Ce matériau plonge inévitablement vers le trou noir et traverse l’horizon des événements une fois qu’il tombe à l’intérieur de la forme du ballon de football. La région à l’intérieur de la forme de football mais à l’extérieur de l’horizon des événements est donc représentée comme une cavité. Les taches bleues montrent des jets s’échappant des pôles du trou noir en rotation. En regardant le trou noir depuis le haut, le long du jet, l’espace-temps a une forme circulaire.

Image Chandra X-Ray de Sagittarius A*

Image X-Ray Chandra de Sagittarius A* et la région environnante. Crédit : NASA/CXC/Univ. of Wisconsin/Y.Bai, et al.

La rotation d’un trou noir peut agir en tant que source d’énergie importante. Les trous noirs supermassifs en rotation produisent des écoulements collimatés tels que des jets lorsque leur énergie de rotation est extraite, ce qui nécessite qu’il y ait au moins un peu de matière à proximité du trou noir. En raison du faible carburant autour de Sgr A*, ce trou noir est resté relativement silencieux au cours des derniers millénaires avec des jets relativement faibles. Ce travail montre cependant que cela pourrait changer si la quantité de matière à proximité de Sgr A* augmente.

Pour déterminer la rotation de Sgr A*, les auteurs ont utilisé une technique empirique appelée la « méthode d’écoulement sortant » qui détaille la relation entre la rotation du trou noir et sa masse, les propriétés de la matière près du trou noir et les propriétés de sortie. L’écoulement collimaté produit les ondes radio, tandis que le disque de gaz entourant le trou noir est responsable de l’émission des rayons X. À l’aide de cette méthode, les chercheurs ont combiné des données de Chandra et du VLA avec une estimation indépendante de la masse du trou noir provenant d’autres télescopes pour contraindre la rotation du trou noir.

L’article décrivant ces résultats, dirigé par Ruth Daly (Penn State University), est publié dans le numéro de janvier 2024 de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Référence : « Nouvelles valeurs de rotation des trous noirs pour Sagittarius A* obtenues avec la méthode d’écoulement sortant » par Ruth A Daly, Megan Donahue, Christopher P O’Dea, Biny Sebastian, Daryl Haggard et Anan Lu, 21 octobre 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stad3228

Les autres auteurs sont Biny Sebastian (Université du Manitoba, Canada), Megan Donahue (Université d’État du Michigan), Christopher O’Dea (Université du Manitoba), Daryl Haggard (Université McGill) et Anan Lu (Université McGill).

Le Centre spatial de vol Marshall de la NASA gère le programme Chandra. Le Centre des rayons X Chandra de l’Observatoire astrophysique Smithsonian contrôle les opérations scientifiques depuis Cambridge, Massachusetts, et les opérations de vol depuis Burlington, Massachusetts.