Le centre de la Galaxie Du fait de l’ extinction interstellaire, il est impossible d’étudier le centre de la Galaxie en lumière visible et les astronomes se servent donc d’observations dans les domaines radio, infrarouge, X et gamma. Celles-ci ont révélé des phénomènes très complexes, en particulier la présence d’un des corps les plus exotiques de l’astrophysique : un trou noir supermassif.
Au centre, on aperçoit Sagittaire A*, la source radio quasi-ponctuelle associée au trou noir central. La ligne diagonale indique le plan de la Galaxie. Les zones qui apparaissent rougeâtres sont d’immenses régions de gaz qui s’étendent sur des dizaines d’années-lumière et sont chauffées à 20 millions de degrés. Crédit : NASA/CXC /MIT/F.K.Baganoff et al.
La structure Sagittaire A
Les premières observations radio du centre de la galaxie révélèrent une structure composite baptisée Sagittaire A. Le plus grand élément de cette structure, Sagittaire A Est, a un diamètre d’environ 25 années-lumière et constitue probablement le résidu de l’explosion d’une supernovail y a quelques dizaines de milliers d’années. Comme les explosions de supernova sont très rares, la présence d’un résidu exactement au centre de la Galaxie suggère l’intervention possible d’un autre corps dans le processus.
Le deuxième élément de la structure, Sagittaire A Ouest a une forme plus complexe. Il s’agit d’un ensemble de trois petits bras en forme spirale dont la taille totale ne dépasse pas les trois années-lumière. Au centre de Sagittaire A Ouest se trouve une source radio quasi-ponctuelle appelée Sagittaire A*. La forme spirale de Sagittaire A Ouest suggère que ses étoiles et son gaz sont en orbite autour de cette source centrale.
Une image de la source complexe Sagittaire A prise par le VLA à une longueur d’onde de six centimètres. La grande structure ovale est Sagittaire A Est, le résidu probable d’une explosion de supernova. La structure spirale à droite est Sagittaire A Ouest, avec en son centre la source quasi-ponctuelle Sagittaire A*. Crédit : Prof. K.Y. Lo, University of Illinois
La source Sagittaire A*
La source radio Sagittaire A* fut détectée pour la première fois en 1974 à l’aide d’un radio-interféromètreet été le sujet de nombreuses observations. La mesure de taille la plus récente a été obtenue en 2008 par des observations en interférométrie à très longue base (VLBI) faisant collaborer des télescopes situés à Hawaï, en Arizona et en Californie à une longueur d’onde de 1.3 millimètre. La taille angulaire de Sagittaire A* est de 37 millionièmes de seconde d’arc, soit un diamètre de 45 millions de kilomètres, environ la distance minimale de Mercure au Soleil sur son orbite.
La mise en service de télescopes géants depuis les années 1990 et l’observation dans l’ infrarougeavec la technique d’ optique adaptativeont permis des progrès spectaculaires dans l’étude du centre galactique. Depuis une quinzaine d’années, ces télescopes sont capables d’observer le mouvement précis des étoiles les plus proches de Sagittaire A* et d’analyser leur orbite. On peut en particulier citer l’étoile S2 dont la période orbitale est de 15 ans et dont la distance minimale à Sagittaire A* est de 17 heures-lumière, soit environ 3 fois la distance moyenne Soleil-Pluton.
A partir de la troisième loi de Kepler, on peut déterminer la masse du corps central autour duquel orbitent ces étoiles : 4,3 millions de fois la masse du Soleil. Ce type d’observation permet aussi d’obtenir une limite maximale sur la taille du corps central puisque les étoiles sont en orbite sans jamais tomber sur le corps. La valeur la plus récente est de 6 heures-lumière, soit légèrement plus que la distance moyenne Soleil-Pluton.
Un diagramme de 15 ans d’observations du centre galactique dans l’infrarouge avec un champ d’une seconde d’arc. Le fond est une image prise en 2010, les points colorés représentent la position moyenne de 7 étoiles sur 15 années successives, la saturation de la teinte augmentant avec les années, et les lignes colorées montrent la trajectoire estimée de chaque étoile. La seule explication logique pour ces orbites est la présence d’un trou noir supermassif (invisible dans l’infrarouge) au centre de l’image. Crédit : Keck/UCLA Galactic Center Group
Un trou noir supermassif au centre galactique
Avec nos connaissances actuelles, le seul moyen d’expliquer une quantité de matière aussi énorme dans un espace si restreint est de postuler la présence d’un trou noir supermassif. Un tel corps est mathématiquement équivalent à un trou noir provenant de la mort d’une étoile massiveet a donc les mêmes propriétés, par exemple les distorsions de l’espace-tempsdans son voisinage. Par contre, sa masse extrême implique évidemment un mode de formation différent qui est encore un sujet d’étude très actif. La relativité généralemontre aussi que, contrairement à son cousin stellaire, un trou noir supermassif n’a pas besoin d’être très dense et les forces de marée dans son voisinage ne sont pas très intenses.
Notons que la position présumée du trou noir supermassif n’est pas exactement confondue avec celle de la source radio Sagittaire A*. Cette dernière est probablement créée par un jet de matière qui s’échappe du disque d’accrétionautour du trou noir, loin du rayon de Schwarzschild.
La structure Sagittaire A
Les premières observations radio du centre de la galaxie révélèrent une structure composite baptisée Sagittaire A. Le plus grand élément de cette structure, Sagittaire A Est, a un diamètre d’environ 25 années-lumière et constitue probablement le résidu de l’explosion d’une supernovail y a quelques dizaines de milliers d’années. Comme les explosions de supernova sont très rares, la présence d’un résidu exactement au centre de la Galaxie suggère l’intervention possible d’un autre corps dans le processus.
Le deuxième élément de la structure, Sagittaire A Ouest a une forme plus complexe. Il s’agit d’un ensemble de trois petits bras en forme spirale dont la taille totale ne dépasse pas les trois années-lumière. Au centre de Sagittaire A Ouest se trouve une source radio quasi-ponctuelle appelée Sagittaire A*. La forme spirale de Sagittaire A Ouest suggère que ses étoiles et son gaz sont en orbite autour de cette source centrale.
Une image de la source complexe Sagittaire A prise par le VLA à une longueur d’onde de six centimètres. La grande structure ovale est Sagittaire A Est, le résidu probable d’une explosion de supernova. La structure spirale à droite est Sagittaire A Ouest, avec en son centre la source quasi-ponctuelle Sagittaire A*. Crédit : Prof. K.Y. Lo, University of Illinois
La source Sagittaire A*
La source radio Sagittaire A* fut détectée pour la première fois en 1974 à l’aide d’un radio-interféromètreet été le sujet de nombreuses observations. La mesure de taille la plus récente a été obtenue en 2008 par des observations en interférométrie à très longue base (VLBI) faisant collaborer des télescopes situés à Hawaï, en Arizona et en Californie à une longueur d’onde de 1.3 millimètre. La taille angulaire de Sagittaire A* est de 37 millionièmes de seconde d’arc, soit un diamètre de 45 millions de kilomètres, environ la distance minimale de Mercure au Soleil sur son orbite.
La mise en service de télescopes géants depuis les années 1990 et l’observation dans l’ infrarougeavec la technique d’ optique adaptativeont permis des progrès spectaculaires dans l’étude du centre galactique. Depuis une quinzaine d’années, ces télescopes sont capables d’observer le mouvement précis des étoiles les plus proches de Sagittaire A* et d’analyser leur orbite. On peut en particulier citer l’étoile S2 dont la période orbitale est de 15 ans et dont la distance minimale à Sagittaire A* est de 17 heures-lumière, soit environ 3 fois la distance moyenne Soleil-Pluton.
A partir de la troisième loi de Kepler, on peut déterminer la masse du corps central autour duquel orbitent ces étoiles : 4,3 millions de fois la masse du Soleil. Ce type d’observation permet aussi d’obtenir une limite maximale sur la taille du corps central puisque les étoiles sont en orbite sans jamais tomber sur le corps. La valeur la plus récente est de 6 heures-lumière, soit légèrement plus que la distance moyenne Soleil-Pluton.
Un diagramme de 15 ans d’observations du centre galactique dans l’infrarouge avec un champ d’une seconde d’arc. Le fond est une image prise en 2010, les points colorés représentent la position moyenne de 7 étoiles sur 15 années successives, la saturation de la teinte augmentant avec les années, et les lignes colorées montrent la trajectoire estimée de chaque étoile. La seule explication logique pour ces orbites est la présence d’un trou noir supermassif (invisible dans l’infrarouge) au centre de l’image. Crédit : Keck/UCLA Galactic Center Group
Un trou noir supermassif au centre galactique
Avec nos connaissances actuelles, le seul moyen d’expliquer une quantité de matière aussi énorme dans un espace si restreint est de postuler la présence d’un trou noir supermassif. Un tel corps est mathématiquement équivalent à un trou noir provenant de la mort d’une étoile massiveet a donc les mêmes propriétés, par exemple les distorsions de l’espace-tempsdans son voisinage. Par contre, sa masse extrême implique évidemment un mode de formation différent qui est encore un sujet d’étude très actif. La relativité généralemontre aussi que, contrairement à son cousin stellaire, un trou noir supermassif n’a pas besoin d’être très dense et les forces de marée dans son voisinage ne sont pas très intenses.
Notons que la position présumée du trou noir supermassif n’est pas exactement confondue avec celle de la source radio Sagittaire A*. Cette dernière est probablement créée par un jet de matière qui s’échappe du disque d’accrétionautour du trou noir, loin du rayon de Schwarzschild.
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