Sur cette vue d’artiste figure la trajectoire de l’étoile S2 passant à proximité du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée. À mesure qu’elle s’approche du trou noir, l’étoile arbore une couleur toujours plus rougeâtre. Cet effet, prédit par la théorie de la relativité générale d’Einstein, résulte de la présence d’un champ gravitationnel très intense. Sur ce graphe, le rougissement ainsi que la taille des objets ont été volontairement exagérés. © ESO/M. Kornmesser

Sciences

Gravity conforte l'existence d'un trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée

ActualitéClassé sous :astrophysique , Univers , GRAVITY

L'existence de véritables trous noirs - en particulier ceux décrits par la fameuse solution de Kerr lorsqu'ils sont en rotation - vient de recevoir une confirmation supplémentaire en observant, grâce à l'instrument Gravity de l'Eso, Sagittarius A*, notre trou noir supermassif galactique supposé. Cette confirmation semble solide, même si le dernier mot à ce sujet n'a pas encore été dit.

On attendait pour la fin de cette année la révélation d'une image associée au trou noir supermassif de la Voie lactée grâce à l'Event Horizon Telescope (EHT). Image en mesure de vérifier, ou non, la validité de la théorie de la relativité générale et ses conséquences, en particulier l'existence même des trous noirs avec un horizon des évènements. Mais il y a quelques semaines, l'astrophysicienne Sara Issaoun a révélé dans un article sur le site de l'Istituto nazionale di astrofisica italien, en abrégé Inaf, pour Institut national d'astrophysique, qu'il faudra attendre encore l'année 2019.

Toutefois, une équipe internationale de chercheurs européens menée par Reinhard Genzel - de l'Institut Max-Planck dédié à la Physique extraterrestre (MPE), de l'Observatoire de Paris, de l'Université Grenoble-Alpes, CNRS, de l'Institut Max-Planck dédié à l'Astronomie, de l'université de Cologne, du Centre d'astrophysique et de la gravitation (Centra) portugais, tous membres de l'ESO - vient de faire savoir qu'elle était déjà parvenue à un résultat spectaculaire. Ce résultat conforte l'existence des trous noirs et en particulier de ceux en rotation décrits par la fameuse métrique de Kerr (une découverte du mathématicien néo-zélandais Roy Kerr, en 1963) et qui fournissent les bases des explications de la nature des quasars.

Les chercheurs expliquent, dans un article disponible sur Astronomy & Astrophysics (A&A), qu'ils ont utilisé l'instrument Gravity équipant l'Interféromètre du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO pour observer les émissions de rayonnement infrarouge polarisé en provenance du disque d'accrétion qui entoure Sagittarius A* au cœur de notre Galaxie. Rappelons que Gravity permet de combiner la lumière en provenance des quatre télescopes du VLT pour créer un télescope virtuel de 130 mètres de diamètre.

Cette simulation figure les orbites d’un petit groupe d’étoiles situées à proximité du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Au cours de l’année 2018, l’une de ces étoiles, baptisée S2, passa tout près du trou noir et fut l’objet d’une intense campagne d’observations au moyen des télescopes de l’ESO. Son comportement fut conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein – incompatible en revanche avec la théorie de la gravitation de Newton. © ESO/L. Calçada/spaceengine.org

Comme Futura l'avait expliqué dans un précédent article (voir ci-dessous), le VLT et Gravity avaient déjà permis de faire passer des tests remarquables à la théorie de la relativité générale et à certaines théories alternatives de la gravitation relativiste, notamment en étudiant les mouvements rapprochés de certaines étoiles autour de Sagittarius A*. Tout dernièrement, c'est le décalage relativiste vers le rouge de la lumière émise par l'étoile S2 dans le champ de gravitation de Sagittarius A* - un objet dont on sait, sans l'ombre d'un doute, qu'il contient quatre millions de masses solaires environ - qui avait été mis en évidence avec Gravity, confortant la théorie d'Einstein.

Une limite pour la taille minimale d'une orbite stable autour d'un trou noir

Aujourd'hui, tout porte à croire que Gravity a observé des bouffées de rayonnement infrarouge provenant d'équivalents des éruptions solaires mais localisées au niveau de points chauds dans le plasma à hautes températures orbitant très près de l'horizon supposé du trou noir de Kerr, censé être la source radio Sagittarius A*. Or, si tel est bien le cas, ces points chauds se trouveraient dans de la matière se déplaçant à environ 30 % de la vitesse de la lumière, en environ 45 minutes, sur une orbite circulaire très proche de celle que les astrophysiciens relativistes appellent l'orbite circulaire stable la plus interne (Innermost stable circular orbit ou Isco). L'orbite circulaire relativiste stable la plus proche possible d'un trou noir en l'occurrence, et qui dépend de la valeur du moment cinétique du trou noir de Kerr en rotation en plus de sa masse. En deçà de cette orbite, c'est la chute vers le trou noir - une prédiction caractéristique de la relativité générale avec ce type d'astre compact - et que l'on ne retrouve pas dans la théorie de la gravitation de Newton.

L’exceptionnelle sensibilité de l’instrument Gravity de l’ESO a apporté un nouvel élément de confirmation de l’existence pré-supposée d’un trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. De nouvelles observations stipulent en effet la présence de gaz tourbillonnant, et en particulier d'une poche de plasma chaude, à une vitesse inférieure à un tiers de celle de la lumière le long d’une orbite circulaire encerclant un trou noir doté d’une masse de quatre millions de masses solaires. C’est la toute première fois que de la matière est observée à si grande proximité du point de non retour. © ESO/Gravity Consortium/L. Calçada

Les caractéristiques de cette orbite et le rayonnement des points chauds ont été découverts en partie par sérendipité alors que les astrophysiciens étaient avant tout occupés à observer l'étoile S2 (en effet, l'existence de ces paquets de plasma et leur potentiel pour l'étude des trous noirs avaient déjà été étudiés théoriquement depuis des années par Avery Broderick, maintenant à l'Institut Perimeter de physique théorique et à l'Université de Waterloo au Canada, et Avi Loeb de l'Université Harvard). Cette découverte semble être en parfait accord avec des prédictions déduites de l'existence d'un trou noir avec un espace-temps décrit par la métrique de Kerr, solution des équations d’Einstein de la relativité générale. On peut en déduire la masse du trou noir Sagittarius A*, qui est d'ailleurs compatible avec celle déjà estimée, et en théorie, mais pas encore en pratique, la valeur de son moment cinétique de rotation (il faudra accumuler d'autres observations d'éruptions dans le disque d'accrétion autour du trou noir).

Il s'agirait donc, comme le soulignent avec insistance les auteurs de la découverte en conclusion de leur article, d'une confirmation de la validité de la théorie des trous noirs en plus de l'obtention des observations les plus précises à ce jour de la matière orbitant aussi près d'un trou noir. Ce résultat sera sans doute consolidé dans un futur proche aussi bien grâce à l'étude des ondes gravitationnelles que par les résultats attendus des observations de l'EHT, qui seront complémentaires de celles disponibles avec Gravity et que l'on va continuer à collecter. Inversement, ces observations pourraient nous montrer que la théorie de la relativité générale doit être remplacée par l'une des nombreuses théories proposées depuis des décennies, pour la prolonger et unifier les lois de la physique, et même que les trous noirs n'existent en fait pas, même si cela semble de plus en plus improbable.

« Comment tester la relativité générale avec l'interférométrie infrarouge et le trou noir supermassif de la Voie lactée », conférence du professeur Reinhard Genzel à l'IPS 2017, 63e réunion annuelle de la Société israélienne de physique à l'Institut de technologie Technion-Israel. Reinhard Genzel a mené les études à l'origine de la découverte actuelle des flashs de lumière infrarouge autour de Sagittarius A*. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Technion

  • La théorie de la relativité générale prédit un effet de décalage spectral vers le rouge pour une source de lumière dans un champ de gravitation
  • L'observation du passage au périastre de l'étoile S2 en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée (Sagittarius A*) avec des instruments équipant le VLT au Chili (notamment celui appelé Gravity) a montré un tel décalage.
  • C'est la première observation de cet effet dans le champ de gravitation d'un trou noir et aussi un nouveau test réussi par la théorie de la relativité générale.
  • On vient de faire mieux encore, toujours avec Sagittarius A*, en détectant avec Gravity le rayonnement de la matière chaude se trouvant presque sur l'orbite stable de plus faible rayon, ce qui accrédite fortement l'existence des trous noirs, sans encore clore le débat à ce sujet.
Pour en savoir plus

Gravity : la relativité générale d’Einstein vérifiée près de notre trou noir supermassif

Article de Laurent Sacco publié le 26/07/2018

Des observations menées grâce aux instruments équipant le VLT de l'ESO au Chili ont conduit au premier test réussi de la théorie de la relativité d'Einstein à proximité d'un trou noir supermassif. En l'occurrence, il s'agit d'un test avec l'effet de décalage spectral vers le rouge de l'étoile S2 en orbite dans la Voie lactée autour de Sgr A*.

La théorie d’Einstein de la relativité générale est plus que centenaire. Bien plus que pour son découvreur, elle témoigne de la mystérieuse capacité de l'esprit humain à anticiper la structure de la réalité, bien loin de l'univers quotidien qui a accompagné l'évolution du cerveau d'Homo, en se basant sur des mathématiques qu'on n'y trouve pas. Toute confirmation des prédictions de la relativité générale peut être vue comme un triomphe mais également comme un désastre car on attend impatiemment de pouvoir arpenter et comprendre de nouveaux aspects plus profonds et plus vastes du cosmos. Cela serait justement possible si la théorie d'Einstein montrait ses limites.

Sagittarius A*, le trou noir supermassif laboratoire 

Comme prévu pour le mois de mai 2018, l'une des étoiles les plus fameuses en orbite autour du trou noir central de la Voie lactée s'est retrouvée à passer au périastre, c'est-à-dire au point le plus proche de  Sgr A* sur cette orbite. Baptisée S2, elle s'est retrouvée à seulement 16 heures-lumière environ, soit 120 fois la distance Terre-Soleil ou encore quatre fois la distance Soleil-Neptune du trou noir supermassif de quatre millions de masses solaires que l'on pense être vers le centre de notre Galaxie. Cela correspond aussi à une distance équivalente à presque 1.500 rayons de Schwarzschild de ce trou noir. S2 se retrouve à ce périastre tous les 16 ans environ et à ce moment là, elle parcourait une portion de son orbite elliptique à presque 2,7 % de la vitesse de la lumière soit 8.000 km/s.

Les astrophysiciens relativistes attendaient impatiemment cet évènement car, comme Futura l'expliquait dans un précédent article (voir ci-dessous), on pouvait s'attendre à des effets du champ de gravitation du trou noir Sagittarius A* qui ne soient pas décrits par la théorie de Newton de la gravitation, et peut-être même aussi pas complètement par la théorie d'Einstein, ouvrant une fenêtre sur une nouvelle physique.

Comment l'étoile S2 a apporté une nouvelle confirmation de la théorie de la relativité générale. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)

L'occasion de pouvoir également sonder le champ de gravitation d'un trou noir dans un régime, où il est intense, ne pouvait pas être manquée. C'est pourquoi de nombreux chercheurs et ingénieurs l'avaient saisie dans le cadre du consortium Gravity dirigé par l'Institut allemand Max Planck pour la physique extraterrestre (MPE) et impliquant le CNRS, l'Observatoire de Paris - PSL, l'Université Grenoble-Alpes et plusieurs autres universités françaises (ainsi que l'université de Cologne et le Centre portugais d'astrophysique et de la gravitation). Il s'agissait de pouvoir combiner par une méthode d'interférométrie des observations dans l'infrarouge faite par plusieurs des télescopes du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO pour faire l'équivalent d'un télescope de plus de 100 mètres de diamètre, tout en analysant la lumière à l'aide de trois instruments, Naco, Sinfoni, et Gravity. Le challenge était de pouvoir observer et mesurer les mouvements heure par heure de S2, avec une précision de 50 microsecondes d'angle, ce qui revient à observer une balle de tennis posée sur la Lune depuis la Terre.

La première mesure de l'effet de décalage spectral d'un trou noir

L'ESO vient d'annoncer aujourd'hui, via une conférence de presse qu'accompagne la mise en ligne sur arXiv d'un article expliquant les résultats scientifiques, qu'un point d'orgue de 26 années d'observations des étoiles autour de Sgr A* avec ses télescopes avait été atteint. En effet la théorie de la relativité générale implique que le champ de gravitation d'un astre produit un décalage vers le rouge de lumière qu'il peut émettre, d'autant plus important que celui-ci est massif ou dense, et ce, selon une loi précise.

C'est bel et bien ce qui a été observé avec S2, et tout comme ce fut le cas il y a bientôt un siècle avec la déviation des rayons lumineux d'étoiles par le Soleil observée et mesurée lors de la fameuse éclipse de 1919, les effets mesurés ne peuvent pas s'expliquer avec la théorie de Newton de la gravitation mais sont au contraire en plein accord, à la précision des mesures atteintes, avec la théorie d'Einstein.

C'est la première fois que cet effet de décalage est mesuré pour le champ gravitationnel d'un trou noir. On le connaissait auparavant, notamment avec des naines blanches (la première détection solide date de 1954 avec 40 Eridani B), et on pouvait le mesurer dans le champ beaucoup plus faible de la Terre via la fameuse expérience de Pound et Rebka.

Ce nouveau succès de la théorie de la relativité générale devrait bientôt être suivi d'un autre, très probable. En effet, les observations en cours devraient permettre d'observer la composante relativiste de la précession du périastre de S2, l'équivalent de la fameuse précession relativiste du périhélie de Mercure. Il y a 16 ans, bien que l'on ne disposait pas d'instruments aussi performants qu'aujourd'hui, un précédent passage au périastre de S2 avait été observé, permettant donc une comparaison en cours avec celui de 2018.

Les astronomes chassent la cinquième force autour de notre trou noir galactique


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

Article de Xavier Demeersman publié le 25/06/2016

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.

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).

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