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.

 Noyaux actifs de galaxies

L’un des principaux th√®mes de recherche de notre √©quipe est l’√©tude des noyaux actifs de galaxies (NAG, en anglais Active Galactic Nuclei ou AGNs). Il s’agit des r√©gions internes de certaines galaxies qui sont particuli√®rement brillantes dans certains domaines de longueur d’onde, indiquant la pr√©sence d’activit√© autour d’un trou noir central. Notre galaxie n’est pas √† proprement parler active : vue de l’ext√©rieur, son noyau ne paraitrait pas aussi lumineux que celui des NAG. La plupart des NAG sont cach√©s derri√®re d’importantes quantit√©s de poussi√®re. Le syst√®me d’optique adaptative de GRAVITY, muni de son senseur de front d’onde infrarouge, permettra de travailler sur ces sources tr√®s rouges.

Disque et jet au sein d'un NAG
Disque et jet au sein d’un NAG

Vue d’artiste d’un trou noir entour√© d’un disque de gaz chaud et d’un grand tore de gaz plus froid et de poussi√®res. Un jet de particules √©nerg√©tiques s’√©chappe perpendiculairement au disque d’accr√©tion.(Illustration : NASA/CXC/M.Weiss)

 Disques et jets protostellaires et protoplan√©taires

Les NAG ne sont pas les seuls objets au sein desquels on trouve des disques d’accr√©tion et des jets. Ils sont √©galement pr√©sents dans une autre classe d’objets fascinants : les syst√®mes stellaires en formation. On parle alors de disques protostellaires ou protoplan√©taires lorsque la pr√©sence de plan√®tes en formation est av√©r√©e. Bien qu’√† une √©chelle bien plus petite que celle des disques entourant les trous noirs supermassifs, c’est essentiellement la m√™me physique qui dicte le comportement de ces syst√®mes. L√† encore, la source lumineuse compacte est enfouie derri√®re d’importantes quantit√©s de poussi√®res qui font du senseur infrarouge de GRAVITY un atout majeur en vue de leur observation. La haute r√©solution spectrale de GRAVITY permettra d’√©tudier la dynamique du gaz ionis√© au sein de ces objets. Par reconstruction d’image, on pourra √©tudier les sillons trac√©s dans le disque par les plan√®tes g√©antes en formation ainsi que l’√©jection de mati√®re par les jets.

 Binaires √©toile—trou noir (microquasars)

Enfin, il existe des syst√®mes stellaires binaires dans lesquels l’une des composantes est un trou noir et l’autre une superg√©ante rouge. Il arrive que de la mati√®re soit alors transf√©r√©e de la superg√©ante vers le trou noir, formant un disque d’accr√©tion et un jet. On parle de microquasars en raison de la ressemblance entre ces syst√®mes et les quasars (qui sont certains NAG, vus de tr√®s loin). Les jets √©mis par ces objets sont observ√©s en radio. GRAVITY peut esp√©rer en d√©tecter la base en infrarouge, et ainsi d√©voiler le secret de leur origine.

 Trous noirs de masse interm√©diaire

Il est g√©n√©ralement admis que des trous noirs d’une masse d’au moins 100 000 masses solaires ont √©t√© d√©tect√©s au cŇďur de galaxies (par exemple Sgr A* au cŇďur de la Voie lact√©e). On conna√ģt √©galement l’existence de trous noirs de masse stellaire. Issus de la mort d’√©toiles massives, ceux-ci ont une masse de l’ordre de 10 √† 100 masses solaires. En revanche, on ne conna√ģt pas √† l’heure actuelle de trou noir av√©r√© d’une masse en quelques centaines et quelques dizaines de milliers de masses solaires. Pourtant on pense que ces trous noirs de masse interm√©diaire devraient se former au centre des amas d’√©toiles les plus denses, et qu’ils pourraient √™tre les pr√©curseurs des trous noirs supermassifs au centre des galaxies.

Dans ce contexte, le but de GRAVITY est d’appliquer la m√™me m√©thode que celle qui a donn√© de tr√®s bons r√©sultats dans le cas du CG au cŇďur d’autres amas denses, notamment des amas globulaires : il s’agira de d√©terminer les orbites d’√©toiles individuelles le plus pr√®s possible du trou noir hypoth√©tique au centre de ces amas. Cela permettra de confirmer ou d’infirmer la pr√©sence d’un trou noir, et, le cas √©ch√©ant, d’en d√©terminer la masse de fa√ßon pr√©cise.

 Exoplan√®tes

Pour finir, l’un des sujets de recherche les plus m√©diatis√©s ces derni√®res ann√©es, et √† juste titre, est celui des plan√®tes extrasolaires (voir aussi). L√† encore, GRAVITY ne sera pas en reste. GRAVITY pourra d√©tecter des plan√®tes par deux m√©thodes : par astrom√©trie de l’√©toile, qui vacille au rythme o√Ļ la plan√®te tourne autour d’elle, et par transits : lorsqu’une plan√®te passe devant son √©toile, elle √©clipse une partie de son flux. En √©tudiant la courbe de lumi√®re de l’√©toile, on peut voir un l√©ger creux qui trahit ces transits. Compte tenu des sp√©cificit√©s de GRAVITY, son cŇďur de cible sera la d√©tection de plan√®tes autour d’√©toiles de faible masse appartenant √† des syst√®mes binaires.

Documents à télécharger

  • Un mod√®le de sursaut de Sgr A* (Flash Video - 631.7¬†ko)

    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.