Une étoile unique, appelée S2, qui tourne en boucle autour du trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie, vient de démontrer une prédiction de la relativité générale dans l’environnement le plus extrême dans lequel nous puissions la tester – mettant ainsi une nouvelle plume dans le chapeau déjà hérissé de la théorie.
En rassemblant des décennies d’observations, les astronomes ont montré que l’orbite de S2 n’est pas une ellipse fixe, mais qu’elle se déplace comme un dessin de spirographe, un phénomène connu sous le nom de précession de Schwarzschild.
C’est la première fois que la précession de Schwarzschild est détectée autour d’un trou noir supermassif, ce qui démontre qu’elle est vraie même lorsque nous observons les orbites d’étoiles dans l’environnement gravitationnel le plus extrême.
En outre, les équations de la relativité générale peuvent être utilisées pour prédire avec précision les changements orbitaux – et ces calculs ont précisément correspondu aux observations de S2.
“La relativité générale d’Einstein prédit que les orbites liées d’un objet autour d’un autre ne sont pas fermées, comme dans la gravité newtonienne, mais qu’elles précèdent vers l’avant dans le plan du mouvement”, explique l’astrophysicien Reinhard Genzel de l’Institut Max Planck de physique extraterrestre (MPE) en Allemagne, et membre de la collaboration GRAVITY.
“Ce célèbre effet – observé pour la première fois sur l’orbite de la planète Mercure autour du Soleil – a été la première preuve en faveur de la relativité générale. Cent ans plus tard, nous avons maintenant détecté le même effet dans le mouvement d’une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A*, au centre de la Voie lactée.”
S2 tourne autour de Sagittarius A* sur une orbite longue et elliptique tous les 16 ans. Lors de son approche la plus proche, ou périastre, elle se trouve à 17 heures-lumière du trou noir, soit un peu plus de quatre fois la distance entre le Soleil et Neptune.
Cela peut sembler loin, mais lorsqu’il s’agit d’un objet aussi massif que Sagittarius A*, c’est étonnamment proche, et le coup gravitationnel du trou noir accélère l’étoile à près de 3 % de la vitesse de la lumière lorsqu’elle tourne autour. C’est l’une des étoiles du centre galactique dont l’orbite est la plus proche.
Et ce n’est pas le premier rodéo de S2 en matière de relativité. Les astronomes surveillent de près l’étoile depuis les années 1990. En 2018, la collaboration GRAVITY a annoncé que la façon dont la lumière de S2 s’étirait lorsqu’elle se rapprochait de Sagittarius A* était la confirmation d’un effet prédit par la relativité générale dans l’un de ses tests les plus extrêmes à ce jour. L’année suivante, une deuxième équipe a confirmé ces résultats dans son propre article, rédigé à partir d’un ensemble indépendant d’observations.
Maintenant, la collaboration GRAVITY a utilisé plus de 330 mesures provenant d’observations remontant à 1992 jusqu’à la fin de 2019 pour voir si la précession observée correspond aux prédictions faites par la relativité générale. Et ils ont touché le gros lot.
“Après avoir suivi l’étoile dans son orbite pendant plus de deux décennies et demie, nos mesures exquises détectent de manière robuste la précession de Schwarzschild de S2 dans sa trajectoire autour de Sagittarius A*”, a déclaré l’astrophysicien Stefan Gillessen du MPE.
Mais ce n’est pas tout. Pour pouvoir calculer la précession de S2, il faut connaître la masse exacte de Sagittarius A*. Jusqu’à présent, les preuves indiquent une masse d’environ 4 millions de fois la masse du Soleil. Afin de s’adapter à l’orbite observée, les équations de la relativité nécessitaient également une masse d’environ 4 millions de fois la masse du Soleil.
Il s’agit d’une nouvelle confirmation de la masse de Sagittarius A*. Et cela permet également aux astronomes d’étudier l’espace autour de l’orbite. Par exemple, si un autre objet massif, tel qu’un trou noir de masse intermédiaire, se trouvait à proximité, il influencerait l’orbite. Si nous ne trouvons pas ces influences orbitales, nous pouvons limiter ce qui se trouve dans le centre galactique.
“Comme les mesures de S2 suivent très bien la relativité générale, nous pouvons fixer des limites strictes sur la quantité de matière invisible, telle que la matière noire distribuée ou d’éventuels trous noirs plus petits, présente autour de Sagittarius A*”, ont déclaré les astrophysiciens Guy Perrin et Karine Perraut, respectivement de l’Observatoire de Paris-Site de Meudon et de l’Observatoire de Grenoble en France.
“Cela présente un grand intérêt pour comprendre la formation et l’évolution des trous noirs supermassifs”
Tout ça, à partir d’une seule étoile. C’est merveilleux.
La recherche a été publiée dans Astronomy & Astrophysics.