S301 : l’étoile la plus rapide près du trou noir central de la Voie lactée

À mesure que S301 tombe vers le trou noir, la gravité l’accélère fortement. Sa vitesse maximale prévue, proche de 25 000 km/s, en fait l’étoile connue la plus rapide observée dans la Voie lactée et le marqueur stellaire connu qui s’approche le plus de Sagittarius A*.

S301 est par ailleurs extrêmement peu lumineuse : sa magnitude dans la bande K est estimée à environ 19,3. Les chercheurs pensent qu’il s’agit probablement d’une étoile de la séquence principale, mais sa faible luminosité complique sa caractérisation précise.

Une découverte repérée dans les données de GRAVITY

L’équipe GRAVITY a détecté S301 au printemps 2023 grâce à l’instrument GRAVITY, installé sur l’interféromètre du Très Grand Télescope de l’Observatoire européen austral. L’étoile se trouvait alors à environ 15 millisecondes d’arc au nord-ouest de Sagittarius A*. Au fil des observations de 2023, elle s’est éloignée tout en présentant un déplacement rapide et légèrement courbé.

Après avoir estimé son orbite à partir de ces mesures, les astronomes ont calculé où S301 devait se trouver auparavant. Ils l’ont ensuite retrouvée dans les données d’archives de GRAVITY datant de 2021, puis dans celles de 2017. Ces observations plus anciennes ont allongé la période de suivi et renforcé l’interprétation orbitale.

L’orbite reste toutefois préliminaire. Les chercheurs ne disposent notamment pas encore d’une mesure de la vitesse radiale de S301, c’est-à-dire de son mouvement dans la direction de notre ligne de visée. De futures observations seront donc nécessaires pour préciser son mouvement en trois dimensions et les paramètres de son orbite.

Comment S301 pourrait mesurer la rotation du trou noir

Un trou noir en rotation ne se contente pas d’attirer les objets qui l’entourent. Selon la relativité générale, son moment cinétique entraîne aussi l’espace-temps voisin : c’est l’effet d’entraînement des référentiels, ou précession de Lense-Thirring.

Pour une étoile en orbite, cet effet peut modifier progressivement l’orientation du plan orbital. Il diminue rapidement lorsque la distance au trou noir augmente. Le périastre particulièrement rapproché de S301 la rend donc beaucoup plus sensible à la rotation de Sagittarius A* que les étoiles qui suivent des orbites plus éloignées.

En mesurant régulièrement sa position avec une très grande précision, les astronomes pourraient rechercher ces infimes changements cumulatifs et les comparer aux perturbations attendues autour d’un trou noir en rotation ou d’un trou noir non rotatif.

Il ne s’agit pas encore d’une mesure de la rotation de Sagittarius A*, mais d’une possibilité pour les prochaines années. Un suivi astrométrique avant le passage rapproché de S301, attendu fin 2031, puis pendant environ une décennie, pourrait déterminer si son mouvement orbital correspond à un trou noir en rotation rapide ou à un trou noir stationnaire.

Un test à long terme du théorème de l’absence de chevelure

S301 pourrait aussi servir, à plus long terme, à réaliser un test encore plus exigeant : mesurer le moment quadrupolaire du trou noir. Cette grandeur décrit la manière dont la rotation modifie la forme du champ gravitationnel au-delà des effets plus simples liés à la masse et au spin.

Dans la solution de Kerr, qui décrit un trou noir isolé en relativité générale, les propriétés mesurables depuis l’extérieur sont déterminées par sa masse et sa rotation. La charge électrique devrait être négligeable pour un trou noir astrophysique. Vérifier la relation prévue entre la rotation et le moment quadrupolaire permettrait donc de mettre à l’épreuve le « théorème de l’absence de chevelure ».

Cette mesure serait nettement plus difficile que celle de la rotation. Le signal associé au moment quadrupolaire est plus faible et pourrait être confondu avec les perturbations gravitationnelles produites par d’autres étoiles ou par des objets compacts encore invisibles près du centre galactique. Les chercheurs le présentent ainsi comme un objectif possible à long terme, et non comme un résultat garanti.

La prochaine étape : continuer à suivre l’étoile

La priorité immédiate consiste à poursuivre le suivi de S301 et à améliorer l’ajustement de son orbite. De nouvelles mesures pourraient préciser sa vitesse radiale, déterminer plus exactement la date et la distance de son périastre, et aider à distinguer les effets relativistes des incertitudes liées à l’environnement stellaire du centre de la Galaxie.

Si l’orbite prévue se confirme, S301 offrira un test particulièrement sensible de la rotation d’un trou noir supermassif et de l’influence de cette rotation sur l’espace-temps voisin. Sa vitesse spectaculaire attire l’attention, mais sa véritable valeur scientifique réside ailleurs : cette étoile pâle et rapide pourrait devenir une sonde de précision de Sagittarius A*.