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Gravity, braqué sur le trou noir galactique, prêt à vérifier la relativité générale

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Avec son trou noir supermassif de quatre millions de masses solaires, le centre de la Galaxie est, pour les astrophysiciens, le laboratoire idéal pour tester la théorie de la relativité générale d'Einstein. Le nouvel instrument Gravity du VLT, conçu pour l'ausculter, n'a pas déçu : il vient d'offrir ses premières observations d'une étoile se déplaçant tout près de Sagittarius A*, le centre de notre monde galactique. En 2018, elle en sera si près que les effets relativistes seront détectables directement.

Kézako : les secrets des trous noirs  Rien n'échappe au trou noir : ni la matière, ni même la lumière. L'existence de ces objets célestes compacts est aujourd’hui reconnue par la quasi-totalité de la communauté scientifique. Malgré tout, ils restent empreints de mystère. Unisciel et l’université de Lille 1 nous dévoilent, avec le programme Kézako, les surprenants secrets de ces astres. 

Au cours de l'été 2015, dix ans après le lancement du projet, une équipe internationale d'astronomes et d'ingénieurs installait l'instrument Gravity dans les tunnels aménagés sous l'un des plus grands observatoires au monde, le VLT (Very Large Telescope), au sommet du mont Paranal au Chili. Travaillant en interférométrie, ce système optoélectronique combine la lumière de quatre télescopes auxiliaires de 1,8 mètre du VLT (Auxiliary Telescopes, ou AT) pour créer un miroir virtuel de 130 mètres de diamètre avec le Very Large Telescope Interferometer (VLTI), ce qui apporte une résolution bien plus importante.

L'instrument a terminé sa première campagne d'observation en janvier 2016. « Gravity va permettre d'étendre l'interférométrie optique à l'observation d'objets beaucoup moins lumineux, et repoussera bien au-delà des limites actuelles la sensibilité de l'astronomie à haute résolution angulaire » commentait alors le directeur des opérations, Franck Eisenhauer, de l'institut Max Planck.

À présent, les préliminaires s'achèvent et les tests réalisés avec l'instrument accouplé aux quatre géants, les unités de 8,2 mètres de diamètre chacun (Unit Telescopes, ou UT), sont très prometteurs, vient d'annoncer l'ESO, l'Observatoire européen austral. En comparaison avec les observations d'une seule de ces unités, les gains en résolution et en précision sur la position d'un objet sont d'un facteur 15. Elle atteindra bientôt, par exemple, une précision centimétrique pour un objet situé sur la Lune.

Animation montrant le chemin d’un faisceau de lumière à travers l’instrument Gravity. Elle ne permet pas vraiment de comprendre mais montre bien la complexité de cette installation reliée à quatre télescopes. Pour que l’interférométrie fonctionne, les chemins de la lumière doivent se superposer avec la précision d’une fraction de longueur d’onde, soit moins d’un micromètre. © MPE

La théorie de la relativité générale à l'épreuve de Gravity

L'objectif principal de Gravity est l'étude du champ gravitationnel intense des trous noirs, et plus particulièrement de celui de Sagittarius A*, qui avec 4 millions de masses solaires, appartient à la catégorie des supermassifs. Invisibles, ceux-ci sont trahis par les danses des étoiles piégées autour d'eux. C'est de cette façon que la position et la masse de Sgr A*, tapi en plein cœur de notre Galaxie, à environ 25.000 années-lumière de la Terre, a pu être inférée en 2002.

Aussi, en traquant avec la plus grande précision possible le mouvement des étoiles qui l'entourent, les chercheurs entendent bien en apprendre davantage (taux de rotation, masse, charge électrique) sur ce corps sombre. Et surtout, comme le nom du projet l'indique, ils vont pouvoir confronter les mesures aux prédictions de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. En effet, pour les physiciens, le centre de la Voie lactée constitue un laboratoire idéal, conforme à leurs attentes.

La vue perçante de l'instrument (10 microsecondes d'angle pour déterminer la position des objets, et une résolution de quatre millisecondes d'angle pour imager les objets) a permis récemment de suivre l'étoile S2, une très proche voisine de Sgr A*, qui tourne autour de lui en seize années. « Lorsque la lumière en provenance de l'étoile a pour la première fois interféré, l'équipe a vécu un moment fantastique, venant couronner huit années de dur labeur, raconte Franck Eisenhauer. Dans un premier temps, nous avons stabilisé l'interférence sur une étoile proche et brillante. Quelques minutes plus tard seulement, nous étions en mesure d'observer l'interférence générée par l'étoile de faible luminosité. » Un exploit dont ils sont très fiers.

Animation des étoiles les plus proches du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. L’une d’elles, S2, sera au plus près de Sagittarius A* en 2018. Une aubaine pour l’équipe de Gravity. © ESO, L. Calçada

Des observations cruciales en 2018

Les premiers résultats de Gravity, instrument très complexe à mettre en œuvre, sont donc très encourageants. Tant mieux, car en 2018, l'étoile S2, qui se déplace à 2,5 % de la vitesse de la lumière (30 millions de km/h), atteindra le point de son orbite le plus proche du trou noir supermassif. Elle n'en sera distante que de 18 milliards de kilomètres, soit environ 17 heures-lumière, ou encore 4 fois la distance entre Neptune et le Soleil. Les effets gravitationnels se feront donc fortement sentir, ce qui promet des observations cruciales.

Pour la toute première fois, précise l'ESO, l'équipe pourra mesurer deux effets relativistes qu'occasionne la rotation d'une étoile autour d'un trou noir : le redshift gravitationnel, résultant de la perte d'énergie que subit la lumière de l'étoile lorsqu'elle s'échappe de l'intense champ gravitationnel du trou noir, et la précession du péricentre, un effet observé à plus petite échelle avec l'orbite de Mercure autour du Soleil (avec une intensité toutefois 6.500 fois plus faible qu'à proximité du trou noir galactique).

Image du centre de notre Galaxie. Pour les observations interférométriques de Gravity, IRS 16C a été utilisée comme étoile de référence. La cible était l’étoile S2. La position du centre galactique, qui avoisine le trou noir (invisible) connu sous le nom de Sgr A*, est indiquée par la croix rouge. © ESO, MPE, S. Gillessen et al.