Le mouvement des étoiles près du trou noir central de la Voie lactée n’est prévisible que pendant quelques centaines d’années

Les orbites de 27 étoiles gravitant autour du trou noir au centre de notre Voie lactée sont si chaotiques que les chercheurs ne peuvent pas prédire avec certitude où elles se trouveront dans environ 462 ans. Cette découverte ressort des simulations réalisées par trois astronomes basés aux Pays-Bas et au Royaume-Uni. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans deux articles du Journal international de physique moderne D et dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

Simuler 27 étoiles et leurs interactions entre elles et avec le trou noir est plus facile à dire qu’à faire. Pendant des siècles, par exemple, il a été impossible de prédire les mouvements de plus de deux étoiles, planètes, roches ou autres objets en interaction. Ce n’est qu’en 2018 que les chercheurs de Leiden ont développé un programme informatique dans lequel les erreurs d’arrondi ne jouent plus de rôle dans les calculs. Grâce à cela, ils ont pu calculer les mouvements de trois étoiles imaginaires. Les chercheurs ont désormais élargi leur programme pour traiter 27 étoiles qui, selon les normes astronomiques, se déplacent à proximité du trou noir au centre de la Voie lactée.

Les simulations des 27 étoiles massives et du trou noir ont donné lieu à une surprise. Bien que les étoiles restent sur leurs orbites autour du trou noir, les interactions entre les étoiles montrent que les orbites sont chaotiques. Cela signifie que de petites perturbations provoquées par les interactions sous-jacentes modifient les orbites des étoiles. Ces changements augmentent de façon exponentielle et, à long terme, rendent les orbites des étoiles imprévisibles.

Un trou noir relaie le choc

« Déjà, après 462 ans, nous ne pouvons pas prédire les orbites avec certitude. C’est étonnamment court », déclare l’astronome Simon Portegies Zwart (Université de Leiden, Pays-Bas). Il le compare à notre système solaire, qui n’est plus prévisible avec certitude après 12 millions d’années.

« Ainsi, le voisinage du trou noir est 30 000 fois plus chaotique que le nôtre, et nous ne nous y attendions pas du tout. Bien sûr, le système solaire est environ 20 000 fois plus petit, contient des millions de fois moins de masse et n’a que huit des objets relativement légers au lieu de 27 objets massifs, mais, si vous me l’aviez demandé à l’avance, cela n’aurait pas dû avoir autant d’importance. »

Selon les chercheurs, le chaos surgit à chaque fois à peu près de la même manière. Il y a toujours deux ou trois étoiles qui se rapprochent étroitement. Cela provoque une poussée et une traction mutuelles entre les étoiles. Cela conduit à son tour à des orbites stellaires légèrement différentes. Le trou noir autour duquel gravitent ces étoiles est alors légèrement repoussé, ce qui est ressenti par toutes les étoiles. De cette façon, une petite interaction entre deux étoiles affecte les 27 étoiles de l’amas central.

Zoom sur les orbites

« Nous effectuons notre simulation sur 10 000 ans à chaque fois. D’un point de vue aérien, les orbites stellaires semblent rester inchangées avec le temps », explique Tjarda Boekholt (ancienne étudiante diplômée des Portegies Zwart en 2015 et travaillant maintenant à l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni). ). « Ce n’est que lorsque l’on commence à zoomer sur un segment d’orbite que des variations chaotiques deviennent visibles. Ces variations peuvent atteindre des valeurs élevées allant jusqu’à quarante unités astronomiques, soit quarante fois la distance de la Terre au soleil. »

Les chercheurs aiment comparer le chaos du trou noir à la traversée d’une ville à vélo. Vous savez approximativement combien de temps cela prend, mais il est impossible de prédire exactement combien de temps. Si un pont est ouvert ou si quelqu’un saute devant votre vélo, vous pourrez arriver quelques minutes plus tard.

« Et c’est un peu comme ça que cela fonctionne aussi avec les étoiles autour du trou noir », explique Portegies Zwart. « Vous êtes conscient que des événements inattendus se produisent régulièrement et provoquent un changement exponentiel, que nous pouvons désormais mesurer. Mais l’implication est que le centre de la Voie Lactée avec le trou noir et les 27 étoiles qui gravitent autour de lui n’est plus prévisible avec confiance après 462 ans. Nous ne pouvons plus prédire de manière fiable les positions et les vitesses de ces étoiles.

Pour Portegies Zwart et ses collègues, ce ne sont pas tant les 462 ans qui comptent. « 462 ans, c’est bien sûr très court, mais notre point est qu’en tant qu’astronomes, nous devons regarder différemment qu’auparavant ce qui se passe à proximité d’un trou noir », a déclaré Portegies Zwart. « Et nous devons trouver de nouveaux mots pour cela. Par exemple, j’ai commencé à construire un glossaire de définitions avec Tjarda Boekholt, simplement parce qu’il n’existait aucun terme qui rende compte avec précision de ce nouveau type de comportement chaotique que nous observions. »

Chaos ponctué

Les chercheurs ont inventé le phénomène du « chaos ponctué ». Le terme s’inspire de la biologie évolutionniste où se produit le contraire : ce qu’on appelle l’équilibre ponctué. Il s’agit d’une évolution au sein des espèces où il existe souvent un équilibre à long terme qui n’est interrompu que très sporadiquement par un événement choquant.

« Avant cette recherche, on ne savait pas si le chaos dans les simulations avait une origine physique ou s’il provenait d’erreurs d’arrondi et d’autres problèmes de calcul », explique le co-auteur Douglas Heggie, mathématicien à la retraite mais toujours actif et astronome à l’Université d’Édimbourg (Royaume-Uni) et pionnier dans le domaine du problème des N-corps.

« Nous avons mis les simulations et les calculs sous-jacents à l’épreuve de plusieurs manières. Nos résultats sont solides. Nous sommes désormais en mesure de faire des déclarations réelles sur le comportement chaotique des systèmes comportant plusieurs étoiles. C’est merveilleux », déclare Heggie.