Le réveil du monstre : Bouffées de chaleur autour

David Fossé 12/2003
Le 9 mai 2003, une puissante bouffée de rayonnement infrarouge en provenance du trou noir central de la Voie lactée atteignait la Terre. Aux commandes de l’un des quatre télescopes géants du VLT, les astronomes européens étaient aux premières loges. Ils traquent désormais de nouvelles manifestations pour explorer la tanière du monstre. Mais la concurrence est rude. Qui sera le premier à pénétrer dans cet espace étrange modelé par la relativité générale ?

Le trou noir de trois millions de masses solaires qui occupe le centre de la Voie lactée serait-il en train de se réveiller ? Après des années passées à écouter son paisible ronflement radio, les astronomes viennent de repérer un gigantesque éclair infrarouge en provenance du monstre. Une surprenante nouvelle. “Reinhard Genzel était surexcité lorsqu’il m’a annoncé la découverte, se souvient Daniel Rouan, de l’observatoire de Meudon. Cette éruption était tellement inattendue !”
De fait, sur la montagne chilienne du Paranal, où sont installés les quatre télescopes géants du VLT (1), cette nuit du 9 mai 2003 était une nuit comme les autres. “Nous faisions des mesures de routine avec le système d’optique adaptative Naco”, précise l’astronome allemand Reinhard Genzel. Il s’agissait notamment de suivre les trajectoires des étoiles du cœur de la Galaxie. Un travail de patience réalisé dans l’infrarouge (à 1,65 µm, cette nuit-là), qui seul permet d’ausculter le centre de la Voie lactée à travers des milliers d’années-lumière de gaz et de poussières et avec une précision de quelques centièmes de seconde d’arc (l’équivalent d’un court de tennis sur la Lune). “Soudain, un nouvel objet est apparu dans le champ, à la position précise du trou noir, reprend l’astronome. Nous l’avons observé pendant près d’une demi-heure. Puis il s’est estompé en cinq minutes.” L’astre compact venait d’émettre une bouffée de rayonnement infrarouge. La première jamais détectée.
Sa cause ? “Il y a deux modèles, répond Yann Clénet, de l’ESO (2). L’un fait intervenir un disque de matière autour du trou noir, l’autre un jet perpendiculaire. Comme l’émission provient probablement d’une zone peu étendue, compte tenu de sa brièveté, on préfère l’hypothèse du rayonnement d’un disque.” Selon Reinhard Genzel et ses collègues, c’est même seulement la zone la plus interne du disque qui s’est enflammée durant plusieurs minutes, une région située à quelques dizaines de millions de kilomètres à peine de l’horizon (Zoom) du trou noir. Les électrons présents dans un nuage de gaz attiré par le monstre et accéléré à la manière de l’eau d’une baignoire que l’on vide se seraient mis à briller intensément juste avant d’être définitivement engloutis (3). C’est un mécanisme classique pour les spécialistes, similaire à celui que l’on prête aux quasars. Sauf que pour ces noyaux de galaxie extrêmement lumineux, les responsables sont des trous noirs mille fois plus massifs que le nôtre et qui, surtout, avalent la matière avec un appétit démesuré. “Dans notre cas, la masse absorbée lors d’une éruption est modeste, typiquement celle d’une comète ou d’un petit astéroïde”, tempère Daniel Rouan. Pas étonnant que notre trou noir brille un milliard de fois moins que sa luminosité maximale théorique (avec ses trois millions de masses solaires, il pourrait attirer beaucoup plus de matière et rayonner d’autant plus). Pas étonnant non plus qu’il ait donné tant de fil à retordre aux astronomes…
Au fil des ans, sa détection était devenue le Graal des spécialistes du centre galactique. Reinhard Genzel et ses collègues le cherchaient depuis “plus de dix ans”. Leur principale concurrente, l’américaine Andrea Ghez, s’y était attelée au milieu des années 1990. “En 1996, elle était même venue nous voir à Hawaï, se souvient Daniel Rouan. Notre ‘manip’ d’optique adaptative sur le CFHT (4) l’intéressait.” Mais la course aux résultats n’avait rien donné. Révélé en ondes radio dès 1974 et surpris en rayons X par Chandra en 2001, le trou noir du centre de la Voie lactée restait désespérément invisible en infrarouge. Ce n’était pas faute d’avoir mis des moyens en œuvre pour sa recherche.
Dans leur quête, les astronomes sont en effet passés en une décennie de la classe des “4 m” (NTT (5) et 3,6 m de l’ESO, CFHT…) à celle des “8-10 m” (VLT, Keck). Surtout, ils ont élaboré pour cette recherche une instrumentation ultraperformante. Certains choix de conception du système d’optique adaptative du VLT ont ainsi été dictés par l’étude du centre de la Voie lactée :“Grâce à Naco, le VLT peut observer dans l’infrarouge à une plus grande longueur d’onde que le Keck, souligne Daniel Rouan. C’est intéressant car lorsque l’on monte en longueur d’onde, la luminosité des étoiles baisse, tandis que celle du trou noir augmente. On gagne en contraste.” Or les étoiles se pressent au cœur de notre galaxie. Sans elles, la découverte du trou noir en infrarouge aurait d’ailleurs été annoncée un an plus tôt. “En août 2002, nous avons observé un excès d’émission à la position du trou noir. Mais il y avait aussi une étoile dans le secteur, regrette Yann Clénet. Elle était si proche qu’il était difficile d’affirmer que c’était bien le trou noir que nous venions de détecter.”
Mais c’était bien lui ! D’ailleurs, deux autres éruptions ont été observées les 15 et 16 juin derniers, à 2,16 µm cette fois. Reinhard Genzel en a même trouvé une troisième, datée du 30 août 2002, en réanalysant des données d’archives à 3,76 µm. “Toutes proviennent exactement de là où doit se trouver le trou noir”, souligne l’astrophysicien allemand. Une belle confirmation de la découverte du 9 mai. Mais il y a mieux : “Dans les éruptions de juin, qui ont duré environ une demi-heure chacune, nous avons repéré comme une oscillation, reprend-il. Toutes les 17 minutes, la luminosité infrarouge était un peu plus forte, puis diminuait à nouveau.” S’agissait-il d’un artefact instrumental ou d’une cerise sur le gâteau ?
“Grâce à cette fluctuation quasi périodique, nous venons de mesurer pour la première fois la vitesse de rotation du trou noir !” répond Reinhard Genzel, enthousiaste. En fait, la modulation de l’émission est une prédiction des modèles. C’est un effet de la vitesse relativiste qu’atteint le gaz lorsqu’il s’approche de la dernière orbite stable autour du trou noir — celle au-delà de laquelle il plonge forcément sur l’astre compact. Il est ainsi possible, connaissant la fréquence de cette orbite et la masse du trou noir, de déterminer la vitesse de rotation (le spin) de ce dernier. Or la masse du trou noir est bien connue, c’est d’ailleurs Genzel et ses collègues qui l’ont mesurée (6). Il ne restait donc plus qu’à mettre un chiffre sur la fréquence de la dernière orbite stable — 17 minutes étant tout indiqué — pour calculer que “le spin du trou noir vaut la moitié de sa valeur maximale”. Ce résultat, qui va bien au-delà de la simple détection de Sgr A* en infrarouge, ouvre d’immenses perspectives.
“Nous avons désormais accès à la structure de l’espace-temps autour d’un trou noir massif ”, martèle Reinhard Genzel. Un trou noir est en effet décrit par trois chiffres : sa masse, sa charge et son spin. L’année dernière, le chercheur allemand et son équipe ont mesuré la masse du trou noir. Son spin vient d’être calculé et sa charge est “certainement négligeable”. Résultat : l’environnement du trou noir peut désormais être représenté et les astrophysiciens vont commencer à tester la théorie de la relativité générale dans un champ de gravité fort. Ce qui est ni plus ni moins considéré comme l’un des “cinq à dix objectifs principaux de la physique de ce siècle”. On comprend que ce sujet d’étude aiguise les appétits… “Surtout que la plupart des autres façons de tester la relativité générale sont plus compliquées que celle que nous menons au VLT”, précise l’astrophysicien.
Dans cette nouvelle course qui s’annonce, Andrea Ghez compte bien marquer des points. Éternelle seconde — elle vient aussi de détecter l’émission infrarouge du trou noir —, l’astrophysicienne américaine dispose d’un atout important : le Keck de 10 m. Plus grand encore que le VLT, ce télescope est aussi équipé d’un système d’optique adaptative performant. Surtout, il est quasiment en accès libre pour la chercheuse californienne : “C’est pour avoir accès au Keck que je suis venue à Los Angeles”, précise-t-elle. Par contraste, Reinhard Genzel doit sans cesse convaincre le comité des programmes de l’ESO de lui accorder du temps d’observation. Jusqu’à présent, cette veille en pointillés ne l’a pas desservi. Mais pour la suite ? Si le trou noir du centre de la Voie lactée vient effectivement de se réveiller, il y a de grandes chances pour que seule l’équipe restée à son chevet recueille ses premières confidences…

(1) Very Large Telescope.
(2) European Southern Observatory.
(3) Les lois de la physique veulent en effet que toute charge accélérée rayonne.
(4) Canada France Hawaï Telescope.
(5) New Technology Telescope.
(6) Voir Ciel & Espace n° 390, “Actualités” page 18.

> Zoom
L’horizon d’un trou noir est la limite en deçà de laquelle se situe la région de l’espace d’où aucune information ne peut plus s’échapper.


Bataille autour d’un trou noir :
S’il y a un domaine de l’astronomie où la concurrence fait rage, c’est bien l’étude du centre de la Galaxie. Depuis quelques années, Reinhard Genzel, 51 ans, et Andrea Ghez, 38 ans, se livrent une compétition effrénée. Et pour cause : leurs atouts sont presque identiques et leur détermination sans faille. Qui sera le premier à percer les secrets du cœur de la Voie lactée ? Le brillant Genzel, décrit parfois comme un “rouleau compresseur” et dont la rumeur fait un futur prix Nobel (Genzel a été en 2003 lauréat du prix Balzan, doté de 640 000 e), ou bien l’ambitieuse Ghez, qui a précisément choisi de travailler à l’UCLA (1) pour pouvoir utiliser un télescope de 10 m à sa guise ? L’année dernière, l’astronome allemand avait marqué un point en démontrant que seule la présence d’un trou noir pouvait expliquer le mouvement des étoiles du centre de la Galaxie. La chercheuse américaine était arrivée à la même conclusion… “mais avec plusieurs mois de retard” se réjouit Reinhard Genzel. Aujourd’hui, c’est encore lui qui fait la découverte essentielle. Mais Andrea Ghez a failli lui damer le pion. “Lorsque l’équipe de l’UCLA a appris que nous venions de détecter des éruptions du trou noir en infrarouge, elle s’est précipitée au Keck pour faire les observations, puis écrire un article”, regrette l’astrophysicien. Résultat : tandis qu’il était tenu au secret — il venait de soumettre son propre article au jugement de ses pairs pour une publication dans la revue Nature —, sa concurrente annonçait dans un communiqué de presse la première détection dans l’infrarouge du trou noir de notre galaxie ! Un manque de fair-play qui se soldera par “une explication en tête-à-tête”. “La compétition était devenue un peu trop rude”, précise Reinhard Genzel.
(1) University of California at Los Angeles.

source:http://www.cieletespace.com