L'énigmatique objet invisible qui agite notre Voie lactée

L'espace est aussi un espace qui suscite des questions : que se passe-t-il exactement au centre d'une galaxie, par exemple ? C'est à cette question qu'Andrea Ghez, lauréate du prix Nobel de physique en 2020, s'est consacrée avec dévouement durant sa carrière d'astronome et d'astrophysicienne. Se pourrait-il même qu'au c?ur de chaque galaxie se trouve un trou noir supermassif, d'autant plus massif que la galaxie est massive ? Ce sont des questions qui font l'objet de discussions et de recherches en astronomie.

Même si l'existence des trous noirs est aujourd'hui scientifiquement reconnue, leur nature recèle encore des mystères : ainsi, la recherche fondamentale n'a jusqu'à présent pas trouvé d'explication qui semble logique sur la manière dont les "trous noirs supermassifs" se sont formés ou à partir de quoi, ni sur leur lien avec la formation et l'évolution de galaxies entières. Selon une théorie courante, ils pourraient être nés de la fusion de trous noirs stellaires préexistants. Ces derniers se forment lorsque des étoiles massives s'effondrent. Cette hypothèse n'a pas encore été confirmée ou infirmée par des données de mesure concrètes.

De la possibilité à la certitude

Dans le cas de notre galaxie, la Voie lactée, l'existence d'un trou noir supermassif en son centre est désormais largement confirmée, tant sur le plan théorique qu'empirique. Son nom est Sagittarius A*. La preuve empirique la plus convaincante de son existence a été apportée par Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre, et Andrea Ghez, professeure de physique et d'astronomie à l'Université de Californie, Los Angeles. Lors des Paul Bernays Lectures 2021, Andrea Ghez parlera la semaine prochaine du chemin "de la possibilité à la certitude d'un trou noir supermassif". De même, elle discutera de la manière dont les connaissances acquises dans la Voie lactée peuvent élargir les connaissances sur les autres galaxies.

En 2020, Andrea Ghez a re?u le prix Nobel de physique en même temps que Reinhard Genzel et Roger Penrose : Penrose pour avoir découvert que la théorie de la relativité générale permet de prédire sans contradiction la formation des trous noirs ; Genzel et Ghez pour avoir découvert un objet compact supermassif au centre de notre galaxie. En effet, d'un point de vue physique, les trous noirs sont des objets extrêmement massifs et compacts dont la gravité devient si forte qu'ils attirent tout ce qui entre dans leur zone d'influence, appelée horizon des événements : rien ne peut échapper à un trou noir, ni les étoiles, ni le soleil, ni le rayonnement, ni l'information - pas même la lumière. C'est à ce fait qu'ils "avalent" la lumière et sont invisibles pour les humains que les trous noirs doivent leur nom.

Alors que Roger Penrose a re?u le prix Nobel pour une preuve mathématique, Reinhard Genzel et Andrea Ghez ont été honorés pour avoir affiné la technologie de mesure et les instruments au point de pouvoir détecter indirectement, gr?ce à des procédés d'imagerie et d'optique de pointe et à haute résolution, l'objet en principe invisible et extrêmement lourd au c?ur de la Voie lactée en tant que trou noir.

"Andrea Ghez a étudié avec persévérance pendant de nombreuses années ce qui se passe au centre de la galaxie. Constructrice d'instruments douée, elle a constamment développé et amélioré de manière décisive la technologie de mesure nécessaire à l'observation des trous noirs", rend hommage à l'astrophysicien Philippe Jetzer, professeur à l'Université de Zurich, qui introduira les recherches d'Andrea Ghez lors des Bernays Lectures. Les ondes gravitationnelles et la théorie de la relativité font partie des domaines de prédilection de Jetzer. Il mène des recherches sur la formation des trous noirs supermassifs en lien avec le projet de satellite de recherche de l'ESA "LISA", auquel participent également des chercheurs de l'ETH, et qui devrait fournir de nouvelles données de mesure sur les ondes gravitationnelles depuis l'espace.

Des images plus nettes révèlent le trou noir

Andrea Ghez se concentre quant à elle sur les technologies de mesure qui permettent d'observer les étoiles et leurs espaces intermédiaires ainsi que les galaxies et leurs centres depuis la Terre. Elle prend généralement ses photos avec les télescopes de 10 mètres de l'observatoire Keck à Hawa?. Avec l'imagerie traditionnelle, les images prises par les télescopes terrestres présentent un inconvénient par rapport aux images prises depuis l'espace : en raison des turbulences dans l'atmosphère terrestre, les images sont déformées et floues.

Depuis les années 1990, Ghez a affiné les techniques d'imagerie et d'optique ainsi que les détecteurs d'astronomie infrarouge, ce qui permet aujourd'hui de réduire les effets de flou des télescopes et de les corriger en temps réel. Les images haute résolution qui en résultent sont si nettes que les étoiles et les objets astronomiques sont clairement visibles (cf. photo).

Sur la base de l'amélioration de l'imagerie, Ghez - et Genzel - ont pu constater qu'au centre de la Voie lactée, des milliers d'étoiles tournent autour d'un même objet invisible. De plus, cet objet central doit être très petit, car les étoiles suivent leurs orbites sans être dérangées et sans entrer en collision avec lui. La vitesse élevée des étoiles, jusqu'à quatre pour cent de la vitesse de la lumière, indique en outre que cet objet est extrêmement lourd et qu'il influence le mouvement des étoiles par son énorme force de gravité. En effet, la masse de cet objet correspond à environ quatre millions de fois celle de notre Soleil. Il ressort de ces constatations, ainsi que des explications alternatives qui peuvent être exclues, qu'un trou noir supermassif est l'explication la plus plausible et la plus convaincante de cet objet.

Ghez étudie actuellement les moyens d'élargir son approche. En comparaison avec les galaxies, le trou noir de la Voie lactée est relativement calme. Si les mouvements d'une galaxie qui, comme la Voie lactée, semble plut?t inactive, sont contr?lés en son centre par un trou noir, il n'est pas loin de penser que de tels objets se trouvent au centre de toutes les galaxies.

L'intervention d'Andrea Ghez lors des Paul Bernays Lectures 2021 s'inscrit dans la continuité des Série de séminaires "Women in Science and Space" (Les femmes dans les sciences et l'espace) à l'occasion de laquelle des physiciennes ont présenté ce printemps leurs recherches sur l'espace à l'invitation de la rectrice de l'ETH Sarah Springman (voir liens ci-dessous).