S301 frôle le trou noir à 25 000 km/s et pourrait révéler sa rotation

Une étoile très faible baptisée S301 est devenue la sonde stellaire connue la plus prometteuse pour mesurer directement la rotation de Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Publiée le 19 août 2026, l’étude de la collaboration GRAVITY+ établit que S301 boucle une révolution en 8,7 ans et atteint environ 25 000 km/s près du trou noir, sans présenter encore de mesure de sa rotation.

La découverte repose sur des observations du Very Large Telescope Interferometer, à l’observatoire de Paranal au Chili, complétées par des données remontant à 2017. Un compte rendu indépendant de Live Science, également publié le 19 août, confirme les records de vitesse, de proximité et de brièveté de l’orbite, tout en situant une éventuelle mesure du spin dans la prochaine décennie. S301 est donc déjà sensible, selon les modèles, aux effets de la rotation de Sagittarius A* ; cette rotation n’a pas encore été isolée dans les observations.

Quatre repères pour visualiser l’orbite de S301

La trajectoire se résume par quatre grandeurs liées : une vitesse maximale proche de 25 000 km/s, une période de 8,7 ans, une distance minimale d’environ 1,78 milliard de kilomètres et une sensibilité exceptionnelle aux corrections relativistes. Le communiqué de l’ESO compare ce passage au plus près à douze fois la distance Terre-Soleil et précise qu’il se situe à peine 20 % au-delà de la distance Soleil-Saturne.

Ces records ne décrivent pas un mouvement uniforme. Avec une excentricité d’environ 0,98, l’orbite ressemble à une ellipse extrêmement étirée : S301 passe l’essentiel de ses 8,7 années loin du centre, puis accélère fortement à l’approche du péricentre, le point le plus proche de Sagittarius A*. Sa pointe de vitesse représente un peu plus de 8 % de la vitesse de la lumière.

La proximité constitue le repère décisif. Les effets produits par la rotation d’un trou noir sur l’espace-temps diminuent très vite avec la distance. En descendant environ dix fois plus près de Sagittarius A* que S2, l’étoile jusqu’ici la plus utile aux tests relativistes du centre galactique, S301 rend potentiellement observable en une décennie un signal qui demanderait plusieurs dizaines d’années avec des orbites plus larges.

Une étoile transformée en sonde de l’espace-temps

Les astronomes utilisent S301 comme un repère lumineux en chute libre dans le champ gravitationnel du trou noir. Ses positions successives permettent de confronter sa trajectoire réelle aux orbites prévues pour différentes masses, distances et rotations de Sagittarius A*. Plus l’étoile s’en approche, plus les petites différences entre ces modèles s’amplifient.

Le déplacement relativiste dominant est la précession de Schwarzschild. Même si le trou noir ne tournait pas, l’ellipse de S301 ne se refermerait pas exactement sur elle-même : son orientation avancerait d’environ 1,9 à 2 degrés à chaque révolution. L’ajustement actuel de l’orbite est compatible avec cet effet de la relativité générale, mais les contraintes obtenues demeurent moins précises que celles tirées du long suivi de S2.

La rotation du trou noir ajouterait une correction plus faible, dite précession de Lense-Thirring. Sagittarius A* entraînerait alors une partie de l’espace-temps dans sa rotation, modifiant légèrement l’orientation de l’orbite dans son plan et hors de celui-ci. L’étude estime que ce déplacement supplémentaire pourrait devenir accessible aux instruments actuels et planifiés ; elle ne prétend pas l’avoir déjà détecté.

Pourquoi deux révolutions doivent être suivies

Une portion d’orbite suffit à estimer une période, une excentricité et un péricentre, mais pas à séparer proprement toutes les causes possibles d’un minuscule changement d’orientation. La masse et la distance du trou noir, la géométrie tridimensionnelle de la trajectoire, la précession de Schwarzschild et l’entraînement dû à la rotation produisent des signatures partiellement corrélées.

Deux révolutions complètes offrent un point de comparaison essentiel : les astronomes peuvent vérifier si le décalage s’accumule de manière cohérente d’un passage rapproché au suivant. Ce seuil ne garantit pas à lui seul une mesure ; la précision astrométrique, la valeur réelle du spin et l’orientation de son axe détermineront si le signal de Lense-Thirring peut être distingué.

S301 a été repérée pour la première fois au printemps 2023. Après avoir calculé une orbite préliminaire, les chercheurs l’ont retrouvée dans des observations de 2021 et, plus faiblement, de 2017. Les 19 positions disponibles dessinent une trajectoire cohérente, mais ne correspondent pas encore à deux tours entièrement suivis. Son prochain passage au péricentre est prévu en 2031, lorsque les changements de vitesse et d’orientation seront les plus concentrés.

La vitesse radiale reste la pièce manquante

Les observations actuelles mesurent avec précision le déplacement de S301 sur le plan du ciel, mais pas encore sa vitesse vers la Terre ou dans la direction opposée. Faute de cette vitesse radiale, deux orientations tridimensionnelles en miroir restent compatibles avec les données. Elles donnent des valeurs légèrement différentes pour la distance minimale, la vitesse maximale et l’amplitude attendue des effets relativistes.

Le suivi doit associer l’astrométrie de GRAVITY+ à la spectroscopie de MICADO, instrument prévu pour l’Extremely Large Telescope. En mesurant le décalage spectral de cette étoile très peu lumineuse, MICADO devrait fournir la composante manquante de son mouvement et lever l’ambiguïté sur l’orientation de l’orbite.

Des observations d’autres étoiles resteront également nécessaires. Elles aideront à préciser la masse de Sagittarius A*, sa distance et les perturbations newtoniennes produites par une éventuelle distribution de masse invisible autour de lui. Ces paramètres devront être contraints pour éviter d’attribuer à la rotation un déplacement orbital ayant une autre origine.

Une mesure possible dans les années 2030, pas un résultat acquis

La découverte établit trois faits : S301 possède la période connue la plus courte autour de Sagittarius A*, elle atteint la vitesse stellaire la plus élevée mesurée dans la Voie lactée et son péricentre est le plus rapproché observé pour une étoile autour de ce trou noir. Les calculs montrent aussi que sa trajectoire devrait être directement sensible au spin avec une durée de suivi accessible.

Ce qui reste inconnu est précisément la grandeur annoncée comme objectif : ni la valeur du spin de Sagittarius A* ni l’orientation de son axe n’ont été déterminées grâce à S301. Les simulations prolongées jusqu’en 2035 indiquent qu’une contrainte directe pourrait être obtenue avec une astrométrie et une spectroscopie suffisamment précises, mais le résultat dépendra du spin réel et de la géométrie du système.

La prochaine étape décisive sera donc l’accumulation de positions et de spectres, notamment autour du passage rapproché de 2031. Si le faible décalage supplémentaire se répète et se distingue des autres formes de précession, S301 pourra transformer une inférence relativiste prometteuse en première mesure dynamique directe de la rotation de Sagittarius A*.