Boussole stellaire : S301 et la mesure du spin du trou noir ✛
À 26 000 années-lumière de la Terre, au cœur de la Voie lactée, l'étoile S301 file à travers l'espace à 18 000 kilomètres par seconde. Elle contourne le trou noir supermassif Sgr A* sur une orbite allongée. Au point de plus grande approche, l'étoile n'est qu'à 280 rayons gravitationnels — à peu près la distance du Soleil à Uranus. Pour comparaison, le précédent détenteur du record, S2, se tenait dix fois plus loin.
L'orbite de S301 est une boussole céleste extrêmement sensible. Son aiguille indique la direction imposée par l'effet d'entraînement de la courbure de l'espace-temps par le trou noir en rotation. Mais à proximité se trouve un disque massif de gaz et de résidus stellaires. Son champ de gravité fait lentement pivoter l'orbite, comme une anomalie magnétique qui perturbe une boussole.
Les astronomes ont trouvé un moyen de calibrer la boussole. Les étoiles S2, S38 et S55 ont presque les mêmes points orbitaux les plus éloignés que S301, mais passent beaucoup plus loin du trou noir. Leur précession est presque entièrement déterminée par le disque — elles ne ressentent presque pas la torsion de l'espace-temps. Ces étoiles de référence servent de aimants de calibration : en mesurant leur mouvement, on reconstitue la carte des anomalies gravitationnelles et on la soustrait des lectures de S301. Le signal de rotation du trou noir est, lui, 30 fois plus fort pour S301 que pour S2.
Mais ce n'est pas tout. L'orbite de S301 subit une précession décrite par Schwarzschild — environ 2° par révolution. De ce fait, la contribution du disque varie d'une période à l'autre, alors que l'effet Lense-Thirring est constant. C'est une clé temporelle supplémentaire pour séparer les signaux.
L'aiguille de la boussole S301 a déjà commencé sa lente rotation. Avec les nouveaux instruments — le télescope ELT et l'interféromètre amélioré GRAVITY+ — la précision augmentera d'un ordre de grandeur. Dans quelques décennies, les astronomes dresseront une carte gravitationnelle du centre de la Galaxie avec une précision sans précédent, sépareront le tourbillon de la dérive et verront pour la première fois la rotation de la courbure de l'espace-temps elle-même.
Le périastre de S301 n'est que de 280 rayons gravitationnels, ce qui équivaut à peu près à la distance du Soleil à Uranus. À une telle distance du trou noir, l'étoile atteint 6% de la vitesse de la lumière — 18 000 kilomètres par seconde. Si nous construisions un vaisseau spatial se déplaçant à cette vitesse, il atteindrait Proxima du Centaure en 70 ans.
L'idée de mesurer le spin d'un trou noir grâce au mouvement d'étoiles proches rappelle le point culminant du film « Interstellar », où les héros explorent le trou noir en rotation Gargantua. Dans la réalité, c'est plus modeste : Sgr A* est des millions de fois plus massif, mais son spin pourrait être modéré — et néanmoins sa mesure serait historique.