Pour la première fois, la théorie de la relativité générale d’Einstein a été confirmée dans un nouveau contexte : dans le champ gravitationnel le plus extrême de la Voie lactée, créé par Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie.
Après 26 ans d’observations, une étoile nommée S2, en orbite autour de l’objet, vient d’effectuer son passage le plus proche et s’est comportée exactement comme le prévoyait la relativité.
Il s’agit d’un résultat scientifique stupéfiant, obtenu grâce à une technologie étonnante, des mathématiques minutieuses et une observation diligente.
“C’est la deuxième fois que nous observons le passage rapproché de S2 autour du trou noir de notre centre galactique. Mais cette fois, grâce à des instruments bien plus performants, nous avons pu observer l’étoile avec une résolution sans précédent”, a déclaré l’astrophysicien Reinhard Genzel de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE).
“Nous nous sommes préparés intensément à cet événement pendant plusieurs années, car nous voulions tirer le meilleur parti de cette occasion unique d’observer les effets relativistes généraux.”
Il y a trois de ces étoiles S (à ne pas confondre avec les étoiles de type S ) en orbite étroite autour de Sgr A*, qui a une masse à peu près équivalente à 4 millions de soleils. S2 (ou S0-2), dans son orbite elliptique, est l’une des deux étoiles qui se rapproche le plus du trou noir au péricentre.
Elle se trouve à seulement 17 heures-lumière du centre de la galaxie, soit environ quatre fois la distance entre le Soleil et Neptune.
Cette distance nous semble longue, mais lorsqu’il s’agit de quelque chose qui exerce l’attraction gravitationnelle d’un trou noir supermassif, c’est plutôt proche.
L’effet de Sgr A* est si fort qu’il accélère l’étoile à environ 25 millions de kilomètres par heure (15,5 millions de mph), soit près de 3 % de la vitesse de la lumière.
Lorsque S2 est aussi proche, selon la relativité, l’effet gravitationnel du trou noir devrait étirer la lumière de l’étoile vers de plus grandes longueurs d’onde, vers l’extrémité rouge du spectre électromagnétique. Il s’agit d’un phénomène bien connu appelé décalage vers le rouge gravitationnel.
L’observer autour de Sgr A* n’est cependant pas une mince affaire. Tout d’abord, l’étoile est située à 26 000 années-lumière. De plus, la région est recouverte d’un épais nuage de poussière, ce qui rend impossible toute observation en lumière visible.
L’équipe de recherche a utilisé un certain nombre d’instruments sur le Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral pour observer le péricentre de l’étoile. SINFONI, GRAVITY et NACO sont tous équipés de capteurs infrarouges et proches de l’infrarouge, qui peuvent pénétrer dans la poussière pour capter des sources infrarouges.
Grâce à ces instruments, l’équipe de recherche a mesuré la vitesse et cartographié l’orbite de S2 pendant qu’elle tournait autour de Sgr A*.
Et ils ont obtenu le résultat escompté. Les nouvelles mesures révèlent très clairement le décalage vers le rouge, la première détection directe jamais réalisée à proximité d’un trou noir supermassif, prouvant, une fois de plus, la théorie de la relativité générale d’Einstein.
“Nos premières observations de S2 avec GRAVITY, il y a environ deux ans, montraient déjà que nous aurions le laboratoire idéal pour un trou noir”, a déclaré l’astrophysicien Frank Eisenhauer du MPE et le chercheur principal de GRAVITY et du spectrographe SINFONI.
“Pendant le passage rapproché, nous avons même pu détecter la faible lueur autour du trou noir sur la plupart des images, ce qui nous a permis de suivre avec précision l’étoile sur son orbite, conduisant finalement à la détection du décalage vers le rouge gravitationnel dans le spectre de S2.”
C’est le dernier d’une longue et impressionnante série de tests qui ont prouvé la relativité, encore et encore.
Récemment, un système stellaire à trois corps, une galaxie entière pliant l’espace et la découverte d’ondes gravitationnelles ont tous démontré que la physique est parfaitement en accord avec la théorie centenaire d’Einstein.
Alors pourquoi les scientifiques continuent-ils à la tester ? Parce que s’il y a des circonstances dans lesquelles elle se brise, cela marquera un changement profond dans la façon dont nous comprenons l’Univers, entraînant le besoin d’une nouvelle forme de physique.
Et si la relativité doit se briser, elle ne le fera très probablement que dans des conditions absolument extrêmes.
“Ici, dans le système solaire, nous ne pouvons tester les lois de la physique que maintenant et dans certaines circonstances”, a déclaré l’astrophysicienne Françoise Delplancke de l’ESO.
“Il est donc très important en astronomie de vérifier également que ces lois sont toujours valables là où les champs gravitationnels sont beaucoup plus forts.”
Et la relativité continue de faire parler d’elle.
Les recherches de l’équipe ont été publiées dans la revue Astronomy & Astrophysics.