Une vue des deux télescopes de l'Observatoire Keck utilisant des faisceaux laser pour faire de l'optique adaptative et sonder les mystères du centre de la Voie lactée. © Ethan Tweedy-www.ethantweedi

Sciences

La relativité générale à nouveau vérifiée autour de notre trou noir supermassif

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Avec leurs tailles et leurs masses imposantes générant un fort champ de gravitation, les trous noirs supermassifs et leur environnement sont des laboratoires idéaux pour tester les prédictions de la relativité générale, en espérant aller au-delà. La théorie d'Einstein vient de passer victorieusement deux nouveaux tests en ce sens avec une des étoiles en orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée.

Voilà presque 4 ans, on célébrait le centenaire de la théorie de la relativité générale et, cette année, on fête le centenaire de sa première preuve convaincante avec la fameuse éclipse de Soleil observée au Brésil. La détection des ondes gravitationnelles par les collaborations Ligo et Virgo, suivie par l'obtention de la première image d'un trou noir par la collaboration de l'Event Horizon Telescope sont de nouveaux triomphes éclatants du génie d'Einstein.

Pourtant, on cherche activement à prouver que la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein n'est pas vraiment encore la bonne théorie de la gravitation et que les trous noirs qu'elle décrit n'existent pas vraiment non plus dans la réalité. Einstein lui-même a tenté d'aller au-delà se sa propre théorie, qu'il savait incomplète, caressant même l'espoir de trouver une théorie unitaire des forces et de la matière en mesure de révolutionner la théorie quantique.

Ceux qui rêvent d'emboîter le pas à Einstein dans ce domaine de recherche, qu'il a poursuivi jusqu'à la fin de sa vie, se tournent vers l'étude des ondes gravitationnelles et des trous noirs supermassifs. On peut d'ailleurs s'en servir pour poser des contraintes sur la théorie des supercordes, le meilleur espoir encore actuellement d'atteindre le Graal qu'Einstein nous a laissé en héritage.

Prise par les télescopes Keck à Hawaï, ces images montrent comment une étoile, S0-2, se rapproche suffisamment du trou noir invisible, appelé Sagittarius A* (Sgr A*), pour tester la théorie de la relativité générale d'Einstein. © Abhimat Gautam, Keck/Ucla Galactic Center Group

SO-2, l'étoile qui sonde le champ de gravitation de Sagittarius A*

Les astrophysiciens relativistes ont entrepris depuis des décennies de tester les limites de la théorie d'Einstein en étudiant patiemment les mouvements d'étoiles proches de Sgr A*, la source radio qui signale la présence de notre trou noir supermassif de 4 millions de masses solaires au cœur de la Voie lactée, en particulier celle baptisée S0-2.

Elle est particulièrement proche de l'horizon des évènements de sorte que les effets de la relativité générale, qui ne sont pas contenus dans la théorie de la gravitation de Newton, commencent à se faire sentir et ils sont plus importants que dans le cas du Système solaire. S0-2 est sur une orbite très elliptique, et au point où elle passe, au plus près de Sgr A* - son périastre -, elle ne se trouve qu'à environ 120 fois la distance de la Terre au Soleil. Comme dans le cas de la loi de Kepler en physique Newtonienne, sa vitesse est alors maximale et dans ce cas précis vaut quelques pourcents de la vitesse de la lumière.

On assiste alors à la combinaison de deux effets relativistes. Il y a en premier lieu un effet Doppler provoquant vis-à-vis d'un observateur sur Terre un important décalage spectral vers le bleu quand l'étoile s'approche de nous et un décalage vers le rouge quand elle s'en éloigne. Le champ de gravitation du trou noir central produit lui aussi un décalage vers le rouge selon une formule déduite de la théorie relativiste du champ de gravitation du trou noir. Ce décalage est d'autant plus prononcé que SO-2 est proche de Sgr A*.

L'astrophysicienne Andrea Ghez nous parle des trous noirs et de son travail. 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 ». © Ucla

La relativité restreinte et la relativité générale autour de Sgr A*

Ces effets relativistes viennent d'être étudiés comme jamais à partir des données collectées depuis presque 24 ans. On le voit avec un article publié tout dernièrement dans le célèbre journal Science par une équipe menée par l'astrophysicienne Andrea Ghez de l'University of California (Ucla). Elle a étudié, en particulier, pendant cette période les mouvements de SO-2 avec les instruments équipant le fameux observatoire W.M. Keck sur le mont Mauna Kea de l'île d'Hawaï.

Des résultats similaires à ceux de la lauréate du Prix Crafoord avaient déjà été obtenus par une autre équipe menée par Reinhard Genzel, lui aussi Prix Crafoord 2012. Dans le cas présent, les prédictions de la théorie de la relativité générale ont à nouveau été spectaculairement vérifiées, et on a pu tester également la validité du principe d’équivalence d’Einstein, un des piliers de sa théorie relativiste de la gravitation.

En bonus, les mesures ont également fourni une masse plus précise pour le trou noir au centre de la galaxie, à savoir 3,984 millions de fois la masse du soleil, et ont précisé sa distance au Soleil, environ 7.971 parsecs soit 25.916 années-lumière.

Dans un futur proche, les chercheurs veulent tester une nouvelle prédiction de la relativité générale avec S0-2 (et quelques autres étoiles). Son orbite, qu'elle boucle en environ 15,5 ans, devrait subir un effet de précession relativiste, tout comme dans le cas de Mercure dans le Système solaire.

  • Le champ de gravitation d'un astre, particulièrement quand il s'agit d'un trou noir, provoque des phénomènes qui échappent à la théorie de Newton de la gravitation et peut potentiellement révéler une nouvelle physique au-delà de la relativité générale.
  • On étudie dans ce but les mouvements et les caractéristiques des étoiles proches du trou noir supermassif de la Voie lactée.
  • Une étoile en particulier, par son orbite et ses décalages spectraux, permet de tester la relativité générale. Appelée S0-2, elle vient de faire remporter une nouvelle victoire à Einstein.
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