Sciences

Une preuve de la théorie d'Einstein au cœur du quasar OJ 287

ActualitéClassé sous :Astronomie , trou noir , Quasar

La relativité générale d'Einstein, et surtout sa prédiction de l'existence d'ondes gravitationnelles, a été brillamment testée avec les pulsars binaires. Elle vient de rencontrer un nouveau succès mais cette fois avec un système binaire de trou noir au cœur d'un quasar.

Figure 2. Le quasar 0J287 serait bien un trou noir binaire selon Mauri Valtonen Crédit : Nasa

La précession de l’orbite de Mercure était une énigme dans le cadre de la physique newtonienne. Il a fallu attendre la théorie de la relativité générale d'Einstein pour reproduire exactement le fait que l'orbite de cette planète autour du Soleil n'était pas une ellipse fermée mais que son périhélie se déplaçait lentement au cours des siècles. Une des prédictions les plus importantes de la théorie d'Einstein est que la nature dynamique de l'espace-temps lui permet d'être le siège d'un phénomène de propagation, similaire aux vagues à la surface de l'océan, et d'émission de la lumière par une charge accélérée. Ainsi, lorsque des masses sont accélérées, elles doivent, moyennant certaines conditions, rayonner de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles

Or justement, au début des années 1970, Hulse et Taylor firent la découverte d'un pulsar binaire constitué d'une étoile à neutrons en orbite autour d'une étoile compagne. L'observation de ce système au cours du temps montra alors une diminution de la période orbitale, en plein accord avec la perte d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles impliquée par les équations de la relativité générale.

Aujourd'hui, c'est une nouvelle preuve de la validité de la théorie d'Einstein qui vient d'être apportée par Mauri Valtonen, un astrophysicien de l'observatoire Tuorla en Finlande, grâce aux observations patientes de plus de 25 astronomes, dont certains sont amateurs, dans 10 pays. Remarquablement, elle combine les deux tests précédents mais de façon bien plus impressionnante car elle fait intervenir un système binaire monstrueux formé d'un trou noir de 18 milliards de masses solaires autour duquel en gravite un autre plus petit, pesant néanmoins 100 millions de masses solaires. Ce couple hors normes nous apparaît comme un quasar, connu sous le nom de OJ 287.

Figure 1. En blanc, les deux pics de luminosité causés par la pénétration du petit trou noir dans le disque d'accrétion du second. Crédit : Tuorla Observatory

La relativité générale prévoit les sursauts du quasar au jour près

OJ 287 est un noyau actif de galaxie connu depuis près d'un siècle, il a donc fait l'objet de nombreuses études et l'on sait que tous les 12 ans environ, sa luminosité augmente selon deux pics rapprochés. En 1988, Valtonen a suggéré que le phénomène était dû au passage du trou noir le plus léger à l'intérieur d'un disque d'accrétion de matière entourant le plus lourd. Cette situation est représentée sur la figure 1 où l'on voit bien l'orbite du plus petit trou noir pénétrant dans le disque rouge orange du second à intervalles répétés.

Un tel système est remarquable car il fait intervenir des champs gravitationnels élevés et permet donc de tester les équations de la relativité générale dans un régime dit fort. En outre, étant donné les masses des objets impliqués, l'émission d'ondes gravitationnelles doit être particulièrement forte et la précession de l'orbite du trou noir assez élevée. Ces effets sur la périodicité des deux pics de luminosité, bien que difficile à calculer, devraient donc être particulièrement importants.

Les chercheurs ont donc lancé une campagne d'observations sur plusieurs mois pour observer très précisément les variations de luminosité de OJ 287. L'enjeu était de taille. Avec une connaissance accrue de ce système et le recours aux équations de la relativité générale, combinant les effets de la théorie relativiste des disques d'accrétions autour des trous noirs et celle de l'émission d'ondes gravitationnelles, il devenait possible de prédire à quelques jours près la date des deux pics de lumière. D'après les astrophysiciens relativistes ce devait être autour du 13 septembre 2007.

Toutefois, l'observation de OJ 287 est compliquée car, depuis la Terre, il n'est visible que pendant 30 minutes avant le lever du Soleil. Il a donc fallu mobiliser des astronomes partout sur la planète pour qu'ils se relaient. Plus de 100 mesures ont été effectuées et, à la grande satisfaction de tous, la variation de luminosité a bien eu lieu en plein accord avec la théorie.

Selon Valtonen c'est même une preuve extrêmement convaincante de l'existence des trous noirs. Sans la prise en compte de l'émission d'ondes gravitationnelles par ceux-ci, les calculs seraient en désaccord de près de 20 jours avec les observations. Une fois de plus la relativité générale triomphe !