La théorie de la relativité générale confirmée autour d’un trou noir supermassif

Depuis plus de 100 ans après sa première publication par Albert Einstein, la théorie de la relativité générale ne cesse d’être éprouvée par les scientifiques et de passer tous les tests expérimentaux avec succès. Elle se retrouve de nouveau confirmée dans le contexte gravitationnel extrême de Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée.

Après 26 ans de préparation et d’observation, l’étoile S2 en orbite autour de Sagittarius A* a effectué son plus proche passage du monstre cosmique et s’est comportée exactement comme la relativité générale le prédisait. Ce résultat est une combinaison d’observations menée grâce à des instruments perfectionnés et des modèles théoriques complexes.

« C’est la seconde fois que nous avons observé S2 passer aussi près du trou noir au centre de notre galaxie. Mais cette fois-ci, grâce à une instrumentation améliorée, nous avons pu l’observer avec bien plus de précision » explique Reinhard Genzel, astrophysicien à l’Institut Max Planck de Physique Extraterrestre (MPE). « Nous nous sommes activement préparés pour cet événement au cours des dernières années, car nous voulions étudier avec le plus de détails possibles cette unique opportunité, afin d’en apprendre plus sur la relativité générale ».

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Cette vidéo montre la trajectoire de l’étoile S2 en orbite autour du centre galactique :

Il existe trois « S-stars » orbitant à faible distance de Sagittarius A* dont la masse est estimée à 4 millions de masses solaires. L’orbite elliptique de S2, ou S0-2, fait d’elle l’une des deux étoiles les plus proches du trou noir à son péricentre. Elle n’est distante que de 17 heures-lumière du centre galactique, soit 4 fois la distance Soleil-Neptune. L’effet gravitationnel de Sagittarius A* est si intense qu’il accélère l’étoile jusqu’à 25 millions de km/h — presque 3% de la vitesse de la lumière dans le vide.

Lorsque S2 est aussi proche, selon la relativité générale, la gravitation du trou noir devrait étirer sa lumière vers des longueurs d’onde plus importantes, vers le rouge à l’extrémité du spectre électromagnétique.

Ce phénomène s’appelle le décalage vers le rouge gravitationnel (ou redshift gravitationnel). Toutefois, observer ce redshift autour du trou noir n’est pas une chose aisée, d’autant plus que la région est entourée par un nuage de poussières obscurcissant, voire bloquant, la luminosité de l’étoile.

Les astrophysiciens ont utilisé plusieurs instruments embarqués sur le VLT afin de pouvoir contourner ce problème : SINFONI, GRAVITY et NACO. Chacun d’eux peut observer dans l’infrarouge et dans l’infrarouge proche afin de percer le nuage de poussière.

Grâce à ces outils, les chercheurs ont pu mesurer la vitesse de S2 et établir la trajectoire de son orbite autour de Sagittarius A*. Les résultats ont clairement révélé le redshift tant attendu, faisant de cette observation la première observation directe de ce phénomène autour d’un trou noir.

Cette vidéo présente la synthèse des résultats de l’observation du redshift gravitationnel de S2 :

« Notre première observation de S2 avec GRAVITY, il y a environ 2 ans, nous avait déjà montré que le trou noir serait un excellent laboratoire expérimental » explique Frank Eisenhauer, astrophysicien au MPE et expert sur SINFONI et GRAVITY. « Lors du passage proche de Sgr A*, nous avons même pu détecter la légère luminosité autour du trou noir sur la plupart des images, ce qui nous a permis de suivre précisément l’étoile sur son orbite, nous conduisant ainsi à la détection du redshift gravitationnel dans le spectre de S2 ».

Cette observation est le dernier test en date de la relativité générale, après la découverte d’un système stellaire à trois corps, d’une galaxie courbant l’espace et des ondes gravitationnelles.

Bien que la théorie d’Einstein ait passé tous ces tests avec succès, les scientifiques continuent de l’éprouver, car il est possible que sous certaines conditions la relativité générale puisse être violée, et observer une telle violation révolutionnerait notre compréhension de la physique.

Source : Astronomy & Astrophysics