Le centre galactique
Difficulté : ☆
Temps : 30 min
L'observation du mouvement de
l'étoile S2 autour du centre galactique permet de dégager les propriétés orbitales suivantes.
Il s'agit d'une ellipse de demi-grand axe 0.119", parcourue en une période de 15.2 ans, avec une excentricité de 0.87.
Question 1)
Pourquoi l'approximation du système à 2 corps semble-t-elle convenable ?
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Quelle est la nature de l'orbite ?
L'orbite, elliptique, annonce un mouvement képlérien.
Question 2)
Le Soleil se situant à 8000 pc du centre galactique,
estimer le demi-grand axe de l'orbite en UA
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Application directe de la définition de la parallaxe
1" à 1 pc correspond à 1 UA
Comme 1" à 1 pc correspond à 1 UA, 0.119" à 8000 pc correspondent à
environ 950 UA.
Question 3)
En déduire la masse du centre galactique, en masse solaire.
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Application directe du cours sur la 3e loi de Kepler.
Écrire la 3e loi de Kepler dans le système d'unités : année, unité astronomique, masse du Soleil
La 3e loi de Kepler s'écrit, dans le système d'unités proposé :
L'application numérique donne : . L'étoile S2 orbite donc dans un potentiel central créé par une masse de l'ordre de 3.7 millions de fois la masse du Soleil.
Question 4)
Estimer la valeur du péricentre , en UA
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Application du cours :
Application du cours, le lien entre périastre, demi-grand axe et excentricité s'écrit :
L'application numérique donne 123 UA.
Question 5)
L'orbite de S2 apparaissant rigoureusement elliptique, comme le prévoit la mécanique képlerienne, on peut supposer que la taille caractéristique du corps central permet l'application de la mécanique du point. En d'autres termes, ce centre de force s'inscrit dans un rayon bien moindre que le péricentre... et serait un trou noir.
Estimer alors l'horizon de ce trou noir de masse .
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Application du cours :
La vitesse de libération du trou noir vaut , par définition, donc :
La conversion de la masse en masse solaire donne, pour l'application numérique :
Question 6)
Estimer la vitesse de S2 au péricentre (le rayon de courbure de la trajectoire au péricentre est égal au paramètre de l'ellipse, soit ).
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Au voisinage du péricentre, l'accélération de S2 n'est que normale.
L'accélération normale vaut , avec le rayon de courbure.
Appliquer la relation newtonienne liant force et accélération normale.
Au voisinage du péricentre , l'accélération de S2 n'est que normale.
L'accélération normale est égale au champ gravitationnel, càd :
D'où l'expression de la vitesse :
L'application numérique donne alors, avec :
, soit 2.3 % de la vitesse de la lumière.