Chaque étoile du ciel nocturne tourne lentement autour de quelque chose que personne ne peut voir. Au centre de la Voie lactée se trouve Sagittarius A*, un trou noir supermassif pesant 4,297 millions de fois plus que le Soleil, et la géométrie étrange de la manière dont il émet de l'énergie dans l'espace pourrait signifier que l'un de ses jets est pointé directement vers notre système solaire.
Sagittarius A* — les astronomes l'appellent simplement « Sgr A star » — ne peut pas être photographié directement, puisque aucune lumière ne s'en échappe. Tout ce que nous savons provient de l'observation du comportement du gaz, des étoiles et des ondes radio près de lui. Des décennies de ce travail de détective ont transformé un bruit radio faible en l'un des objets les mieux étudiés de la galaxie, digne d'un prix Nobel et d'une photo prise avec un télescope de la taille de la Terre.
Un bourdonnement radio que personne ne pouvait localiser
En avril 1933, l'ingénieur Karl Jansky recherchait la source d'une statique qui interfère avec les appels téléphoniques transatlantiques lorsqu'il a retracé un signal radio vers la constellation du Sagittaire, vers le centre de notre galaxie. Il n'avait aucun moyen de savoir qu'il venait de découvrir le centre galactique lui-même.
Il a fallu quatre autres décennies pour que quelqu'un isole l'objet exact. Les astronomes Bruce Balick et Robert Brown ont épinglé une source radio compacte là le 13 et 15 février 1974, en utilisant une paire liée de radiotélescopes au National Radio Astronomy Observatory. Cette précision — localiser un seul point enfoui dans une lueur radio beaucoup plus grande et plus brillante — est ce qui a finalement permis aux équipes ultérieures de relier le point à un trou noir plutôt que de simplement le considérer comme un patch de ciel anormalement bruyant.
Le nuage qui n'a jamais livré ses feux d'artifice
Les astronomes ont repéré un filet de gaz appelé G2 tombant vers Sagittarius A* et ont prédit que son passage le plus proche, un moment nommé peribothron, arriverait autour de mai 2014. Des télescopes du monde entier se sont tournés pour observer, espérant attraper le trou noir en train de déchirer le nuage en temps réel.
Le spectacle n'a jamais vraiment commencé. Les observations de suivi ont révélé que la matière se précipitant dans Sagittarius A* est restée remarquablement stable pendant l'encounter, sans aucun signe de perturbation par l'arrivée de G2. L'anticlimax lui-même s'est avéré utile : il a indiqué aux chercheurs que le schéma d'alimentation du trou noir est plus résilient à un nuage qui passe que ne l'avaient supposé les modèles, une contrainte qui façonne toujours la manière dont les scientifiques simulent la matière tombant dans des trous noirs ailleurs.
Des sursauts qui n'avaient rien à voir avec le nuage
Pendant que tout le monde attendait G2, Sagittarius A* a eu sa propre crise de colère. Le 14 septembre 2013, l'Observatoire Chandra aux rayons X a capturé un sursaut 400 fois plus brillant que la lueur normale et silencieuse du trou noir — une explosion près de 3 fois plus forte que le précédent détenteur du record, établi au début de 2012. Des semaines plus tard, après que les choses se soient calmées, Chandra a enregistré une deuxième explosion, celle-ci 200 fois plus brillante que d'habitude, en octobre.
Parce que les deux sursauts se sont produits bien avant l'approche la plus proche prédite de G2, ils n'auraient pas pu être déclenchés par le nuage que tout le monde observait. L'explication principale est bien plus étrange : quelque chose de plus petit et de plus proche, possiblement un astéroïde errant, qui s'approche trop du trou noir et se désagrège. De toute façon, les sursauts sont un rappel que Sagittarius A* n'a pas besoin d'un nuage de gaz spectaculaire pour faire les gros titres — il peut le faire seul, de manière imprévisible, en une semaine ordinaire.
Observer le gaz courir à la limite de la vitesse
L'instrument GRAVITY de l'Observatoire austral européen a capturé quelque chose que personne n'avait jamais directement observé auparavant : des grumeaux de gaz traçant une boucle autour de Sagittarius A*, juste à l'extérieur de l'horizon des événements, à environ 30 pour cent de la vitesse de la lumière — le plus proche que quiconque avait jamais observé la matière voyager avant de tomber au-delà du point de non-retour.
Cette mesure n'a fonctionné que parce que GRAVITY triche. Il fusionne la lumière collectée par quatre télescopes séparés au Très Grand Télescope dans un instrument virtuel avec le pouvoir de résolution d'un miroir de 130 mètres de large, beaucoup plus grand que n'importe quel plat unique qui n'aurait jamais pu être construit. Combiner les télescopes de cette manière transforme une tache de lumière à 26 000 années-lumière en une orbite traçable.
L'étoile qui a mis Einstein à l'épreuve
Le même instrument GRAVITY, associé à un homologue appelé SINFONI, a passé des années à suivre une étoile connue sous le nom de S2 alors qu'elle oscillait devant Sagittarius A* sur une orbite sauvagement allongée. Lorsque S2 a fait son approche la plus proche, les chercheurs ont mesuré, pour la première fois dans un environnement aussi extrême, exactement les effets de décalage lumineux et de décalage orbital que la relativité générale prédit près d'un corps massif — pas la physique plus simple de la gravitation newtonienne.
S2 n'est même plus le concurrent le plus proche connu. En 2020, une étoile appelée S4714 détient ce record, s'approchant à environ 12,6 UA — approximativement la distance de Saturne au Soleil — tout en se déplaçant à environ 8% de la vitesse de la lumière. Suivre des étoiles comme celles-ci, sur des orbites assez rapides et serrées pour sentir les empreintes de la relativité, c'est comment les astronomes ont pesé Sagittarius A* sans jamais la voir.
Un objet plus petit qu'une pièce tenue à travers une galaxie
Bien avant que quelqu'un ne photographie Sagittarius A*, les radioastronomes fermaient la boucle sur sa véritable taille. Une étude de 2019 combinant l'Atacama Large Millimeter Array avec un réseau mondial de radiotélescopes a révélé que son émission radio provient d'une partie du ciel d'à peine 300 millionièmes de degré de large, avec une forme si uniforme qu'elle semble presque parfaitement ronde.
Obtenir une mise au point si nette a pris des décennies de progrès progressifs : les toutes premières observations de Sagittarius A* à la fréquence radio spécifique utilisée dans cette étude de 2019 avaient été faites 26 ans plus tôt, en utilisant seulement une poignée de télescopes plutôt qu'un réseau couvrant le monde. Chaque génération d'instruments a affiné le flou encore plus, un affûtage lent qui a finalement rendu une image réelle possible.
Un rayon qui pourrait être pointé vers nous
Cette même étude de 2019 a révélé quelque chose de troublant : la région d'émission est si petite et si symétrique que la source pourrait être pointée presque directement vers la Terre. Plutôt que de regarder Sagittarius A* de côté, comme nous regardons normalement les sources radio lointaines, nous pourrions regarder presque directement dans l'un de ses jets, comme regarder dans une lampe de poche plutôt que de voir son faisceau passer. C'est un rappel que le trou noir de notre galaxie n'est pas un simple arrière-plan ; sa géométrie façonne activement ce que nous sommes capables de mesurer d'ici.
Preuve, puis une image
Le cas théorique que Sagittarius A* devait être un trou noir s'est construit pendant des décennies sur exactement ce type de preuves orbitales et radio. Le comité Nobel a accepté : en 2020, Reinhard Genzel et Andrea Ghez ont partagé chacun un quart de part du prix Nobel de physique, honorés pour avoir établi que l'objet au centre de notre galaxie était trop compact pour être autre chose qu'un trou noir.
Deux ans plus tard, la théorie a rencontré l'image. Le 12 mai 2022, la collaboration Event Horizon Telescope a publié la première image de Sagittarius A*, une bague brillante de lumière recourbée autour d'un centre sombre à environ 26 000 années-lumière du lieu où nous nous tenons. L'humanité n'avait réussi cela qu'une seule fois auparavant, en capturant le trou noir supermassif à l'intérieur de la galaxie Messier 87 en 2019 — ce qui en fait la première image confirmée, non seulement une preuve théorique, de l'objet siégeant au cœur de notre propre galaxie.
Sources
- NASA: Chandra Detects Record-Breaking Outburst from Milky Way's Black Hole
- ESO: Best View Yet of Dusty Cloud Passing Galactic Centre Black Hole
- ESO: Most Detailed Observations of Material Orbiting Close to a Black Hole
- Phys.org: Revealing the Black Hole at the Heart of the Galaxy
- Wikipedia: Sagittarius A*