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Reinhard Genzel et la poursuite de la haute résolution spatiale

Né le 24 mars 1952 à Bad Homburg vor der Höhe (Allemagne), Reinhard Genzel soutient son doctorat en 1978 à l'université de Bonn, travaillant en radioastronomie sur les régions de formation d’étoiles. Il part ensuite aux États-Unis, d’abord à Harvard puis en Californie, où il devient professeur à l’université de Berkeley. En 1986, il revient en Allemagne comme l’un des directeurs de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre à Garching, où il crée un groupe d’astronomie infrarouge et submillimétrique.

Reinhard Genzel

Photographie : Reinhard Genzel

L'astronome allemand Reinhard Genzel (ici photographié en 2012) a été l'un des premiers, avec l'Américaine Andrea Ghez, à apporter des preuves indirectes de l'existence de Sagittarius A*, un trou noir supermassif localisé au centre de notre Galaxie. Ces deux scientifiques, qui ont... 

Crédits : Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

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Dès le début de la décennie 1990, il mène avec son groupe, parallèlement aux travaux de celui d’Andrea Ghez en Californie, des recherches sur le centre de notre Galaxie pour tenter de caractériser l’éventuel trou noir central – Sagittarius A* (SgrA*) – dont il avait proposé l’hypothèse peu auparavant. Ces deux équipes, en utilisant les plus grands télescopes au monde – le VLT (Very Large Telescope) de l’ESO (European Southern Observatory), localisé au Chili pour le groupe européen et le télescope Keck situé à Hawaii, pour l’équipe américaine –, ont patiemment suivi les trajectoires des étoiles en orbite autour de SgrA*, et en ont déduit la masse de l’objet central, soit 4 millions de fois la masse du Soleil.

Pour suivre ces trajectoires autour du centre de la Galaxie, il faut surmonter deux grands défis : tout d’abord, en regardant le centre à travers tout le plan de la Voie lactée vue par la tranche, la lumière visible se trouve totalement obscurcie par la poussière interstellaire. Il faut donc observer dans une autre longueur d’onde – l’infrarouge proche à 2 micromètres – pour traverser cet écran de poussières. Ensuite, l’atmosphère de la Terre est très turbulente et étale la lumière envoyée par une étoile, dont l’image devient floue. Pour « déflouter », il faut utiliser la technique de l’optique adaptative qui, grâce à des miroirs déformables, permet de corriger en temps réel les déformations aléatoires, dues à la turbulence, du front d'onde issu d’une étoile.

Le développement de l’optique adaptative doit beaucoup aux équipes européennes, notamment françaises, à travers l’Office national d'études et de recherches aérospatiales (ONERA) et l’Observatoire de Paris. En 1989, celles-ci, en lien avec l’ESO, obtiennent en France la toute première image astronomique corrigée, avant de mettre en œuvre cette technique sur un télescope de 3,6 mètres de diamètre de l’ESO au Chili. Pour corriger le front d’onde, il faut disposer d’une étoile de référence suffisamment brillante dans le champ de vue, ce qu’offre, par chance, le voisinage immédiat de SgrA*. L’équipe européenne de Genzel avait pu discerner et suivre les orbites des étoiles très proches de SgrA* dès le début des années 1990, et montrer l’existence probable d’un trou noir supermassif. À partir de 1998, sur le VLT – comme sur le télescope Keck pour l’équipe californienne –, l’optique adaptative révolutionne, par sa résolution accrue, les images du voisinage de SgrA*.

Dès le milieu des années 1980, les astronomes français, notamment Antoine Labeyrie, François Roddier et Pierre Léna, ont rejoint Reinhard Genzel, de retour en Europe, pour convaincre la France et l’Allemagne, puis l’ESO et ses autres pays membres, de faire du VLT un interféromètre de sensibilité et de résolution angulaire uniques au monde (VLTI) reposant sur le fonctionnement en réseau des quatre télescopes de 8,2 mètres de diamètre équipés d’optique adaptative – la finesse des images obtenues correspond à celle que l’on pourrait avoir grâce à un télescope de 130 m de diamètre. En 2016, grâce à ce nouveau bond en résolution, l’instrument Gravity, réalisé en collaboration entre équipes allemandes et françaises – avec notamment Guy Perrin, l’un des Français parmi les plus proches collaborateurs de l’équipe du Max-Planck –, entre en service sur le VLTI.

En 2018, à partir des observations réalisées grâce au VLTI, Reinhard Genzel et la collaboration Gravity publient un article majeur sur le passage au péricentre (point de l’orbite le plus près du trou noir) de l'étoile S2, la plus proche connue autour de SgrA*. Sa vitesse a atteint 7 650 km/s, soit 2,5 p. 100 de la vitesse de la lumière, à l'approche du péricentre en mai 2018, à environ 16 heures-lumière ou 1 400 fois le rayon de l’horizon du trou noir. Le décalage spectral vers le rouge, observé dans ce champ gravitationnel intense, prévu uniquement par la relativité générale, est une nouvelle confirmation de celle-ci.

Reinhard Genzel et la collaboration Gravity publient, également en 2018, le suivi d’un sursaut d’émission proche-infrarouge, produite par le gaz ionisé en orbite autour du trou noir, très près de la dernière orbite stable de tout corps avant sa chute inexorable sur le trou noir. Le gaz détecté tourne à une vitesse du tiers de celle de la lumière avec une période d’environ 45 minutes. Ces résultats sont compatibles avec une orbite du gaz ionisé circulaire, presque vue de face, ayant six à dix fois le rayon de l’horizon du trou noir.

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Crédits : Antonia Reeve/ Science Photo Library

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Crédits : Christopher Dibble/ UCLA/ AFP

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Françoise COMBES, « PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2020 », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 08 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/prix-nobel-de-physique-2020/