Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

Les Objectifs scientifiques de GRAVITY

lundi 12 novembre 2012, par Guy Perrin, Thibaut Paumard

La conception de GRAVITY est d√©termin√©e par ses objectifs principaux, qui concernent l’observation d’effets de relativit√© g√©n√©rale √† proximit√© imm√©diate du trou noir central de la Galaxie. Cependant il s’av√®re que cet instrument sera √©galement un outil tr√®s polyvalent qui promet des avanc√©es consid√©rables dans des domaines vari√©s de l’astrophysique moderne.

 Le Centre de la Voie lact√©e

Le Centre galactique (CG) est situ√© √† ‚Čą 25 000 ann√©es-lumi√®re du syst√®me solaire. √Čtant, bien √©videmment, situ√© dans le disque de la Galaxie, il n‚Äôest pas observable dans le domaine visible en raison de quantit√© de poussi√®re sur la ligne de vis√©e. De par cette relative proximit√©, il apparait comme bien plus grand angulairement que les autres noyaux de galaxie, d√®s lors que l‚Äôon observe aux grandes longueurs d‚Äôonde (infrarouge, radio) ou au contraire en rayons X ou encore plus √©nerg√©tiques. Le trou noir supermassif qui y si√®ge, Sgr A*, bien que d‚Äôune masse modeste pour ce type de trous noirs (environ 4 millions de masses solaires !), est celui dont le rayon de Schwarzschild RS sous-tend l‚Äôangle le plus grand : ‚Čą 10 őľas (micro seconde d’angle : 1°=3 600 000 000 ¬Ķas). Le second trou noir par ordre de rayon de Schwarzschild apparent est celui au cŇďur de la galaxie M82, deux fois plus petit. En outre, le CG pr√©sente des traces d‚Äôactivit√© pass√©e et actuelle. C‚Äôest donc le sujet id√©al pour √©tudier en d√©tails les m√©canismes en jeux dans les noyaux actifs de galaxies (NAG, voir ci-dessous).

Les quelques ann√©es‚Äďlumi√®res centrales de la Galaxie sont occup√©es par l’amas nucl√©aire, des milliers d’√©toiles qui orbitent autour de Sgr A*. Une centaine d’entre elles passent tr√®s pr√®s du trou noir. C’est l’√©tude de leurs mouvements qui donne la meilleure estimation de la distance au CG et de la masse de Sgr A*. La plus connue de ses √©toiles, S2, a une p√©riode orbitale d‚Äôune quinzaine d‚Äôann√©es et passe au p√©riapse √† environ 2000 RS seulement, √† une vitesse quasi-relativiste (‚Čą 1% de la vitesse de la lumi√®re).

Les orbites d’√©toiles passant tr√®s pr√®s d’un trou noir devraient √™tre l√©g√®rement diff√©rentes des ellipses observ√©es par Kepler et expliqu√©e par Newton. En effet, on atteint un r√©gime de gravit√© et de vitesse o√Ļ les calculs d’orbites n√©cessitent l’usage de la th√©orie de la relativit√© g√©n√©rale. L’orbite de S2, comme celle des autres √©toiles connues, apparaissent encore comme parfaitement elliptiques du fait des incertitudes de mesure. Le premier des objectifs de GRAVITY est de d√©couvrir de nouvelles √©toiles encore plus proches du trou noir. Ces √©toiles parcourront leur orbite en seulement 1 an environ. Les effets relativistes sur leur trajectoire seront √©vidents. De plus, leur trajectoire sera peut-√™tre √©galement influenc√©e par la pr√©sence de mati√®re sombre autour du trou noir, par exemple en raison du grand nombre de trous noirs stellaires qui ont d√Ľ s’accumuler l√† au cours de l’histoire de la Galaxie. En effet, de nombreuses √©toiles ont v√©cu et sont mortes en orbite autour de Sgr A*. Certaines ont laiss√© derri√®re elles un trou noir de faible masse (‚Čą 10 masses solaires), qui doit continuer de tourner autour du trou noir supermassif.

Orbite relativiste autour de Sgr A*
Orbite relativiste autour de Sgr A*

Simulation de mesure par GRAVITY de l’orbite (en bleu) d’une √©toile tr√®s proche du trou noir centrale. L’√©toile hypoth√©tique utilis√©e ici est semblable √† S2 mais 10 fois plus proche du trou noir. On pense d√©couvrir de telles √©toiles gr√Ęce √† GRAVITY. L’orbite ne se referme pas : c’est l’effet relativiste d’avanc√©e du p√©riapse. Les symboles de couleur repr√©sentent les positions mesur√©es par GRAVITY en mai, juin et juillet, deux ann√©es cons√©cutives. L’√©toile a d√©j√† parcouru deux fois son orbite et l’avanc√©e du p√©riapse est √©vident. Les autres courbes repr√©sentent des fragments d’orbites d’autres √©toiles √©galement observ√©es par GRAVITY. Les axes sont gradu√©s en milliseconde d’angle (mas), la r√©solution de GRAVITY √©tant de 2 √† 4 mas.

Le foyer de l’orbite de S2 et des autres √©toiles co√Įncide exactement (aux erreurs de mesure pr√®s) avec la position de la source radio ponctuelle Sgr A*. √Ä cette position il y a un objet de luminosit√© variable dans le domaine infrarouge. En g√©n√©ral, il est presque ind√©tectable. Mais environ une ou deux fois par jour, sa luminosit√© augmente d’un facteur important (plusieurs dizaines). On parle de sursauts ou flares en anglais. √Ä ce moment l√†, cette source de lumi√®re est plus brillante que l’√©toile S2. Un trou noir est, par d√©finition, noir, c’est √† dire qu’il n’√©met pas de lumi√®re. Les sursauts ne proviennent donc pas du trou noir lui m√™me mais de son environnement. On ne connait pas exactement l’origine de ce rayonnement. Ce dont on est s√Ľr, c’est qu’il vient de tr√®s pr√®s du trou noir, probablement du disque d’accr√©tion qui entoure tr√®s certainement Sgr A* ou du jet qui en √©mane probablement. Le second objectif de GRAVITY est d’observer ces sursauts. Le pouvoir de r√©solution de l’instrument sera insuffisant pour faire une image d√©taill√©e des sursauts, mais il permettra d’en mesurer la position avec une pr√©cision meilleure que le rayon de Schwarzschild du trou noir. Avec une telle pr√©cision, il est probable que l’on sera capable de mesurer le d√©placement des sursauts, dont on est presque certain qu’ils sont en mouvement. En effet, aussi pr√®s d’un trou noir, la mati√®re est n√©cessairement anim√©e de vitesses proches de celle de la lumi√®re. Ainsi, GRAVITY permettra de d√©terminer l’origine des sursauts et de mesurer le mouvement de mati√®re extr√™mement pr√®s d’un trou noir.

Un modèle de sursaut de Sgr A* IMG/flv/incl45_0_low_res.flv
Simulation de sursaut selon l’hypoth√®se dite du "point chaud". Cliquer sur l’image pour d√©marrer la vid√©o. Ici, de la mati√®re en orbite autour du trou noir s’√©chauffe et devient brillante. Sous l’effet des forces de mar√©es, le point chaud s’√©tend en un arc puis forme un anneau tout en refroidissant. Le trou noir au centre (invisible) fait office de lentille gravitationnelle de sorte que l’arc appara√ģt distordu. Il y a m√™me formation d’images multiples. Les axes sont gradu√©s en rayons du trou noir, GRAVITY permettrait de mesurer la position de l’objet √† une unit√© pr√®s. La courbe qui spirale correspond √† ce que mesurerait GRAVITY (sans barres d’erreur). La courbe en bas est la courbe de lumi√®re correspondante, qui a bien l’aspect des sursauts observ√©s jusqu’√† pr√©sent.