Les astronomes continuent à sonder de plus en plus proche de l'horizon des événements du trou noir central de la Voie lactée avec le VLT de l'ESO. Ils mesurent plus précisément les mouvements des étoiles proches en orbite autour de lui, à la recherche d'une nouvelle physique et d'une meilleure connaissance de cet objet compact afin de déterminer notamment sa masse et sa vitesse de rotation.

« La théorie de la relativité généralerelativité générale est une théorie de la gravitationgravitation et comme la théorie newtonienne de la gravitation, qu'elle affine et élargit, son foyerfoyer naturel est l'astronomie », ainsi s'exprimait Subrahmanyan ChandrasekharSubrahmanyan Chandrasekhar. Même si l'on pense que la théorie contient de profondes indications sur la nature ultime de la matièrematière et des forces de l'UniversUnivers observable, et qui ne seront visibles que dans le cadre d'une nouvelle physiquephysique allant au-delà de la théorie de la relativité générale, force est de reconnaître que cette déclaration du prix Nobel de physique reste plus que jamais d'actualité et l'on chasse cette nouvelle physique aussi dans le domaine de l'astronomie avec elle.

Un des laboratoires possibles de cette quête, c'est un trou noir supermassiftrou noir supermassif. Cela tombe bien, nous en avons un à portée de main, ou plutôt de télescopestélescopes et radiotélescopesradiotélescopes, au cœur de la Voie lactéeVoie lactée. On le désigne sous le nom de Sagittarius A*Sagittarius A* et Futura a déjà consacré plusieurs articles à ce sujet comme le précédent ci-dessous.

Deux nouveaux articles publiés dans Astronomy & Astrophysics  provenant des membres de la collaboration Gravity expose les derniers résultats obtenus en utilisant le Very Large Telescope en mode interféromètreinterféromètre de l'Observatoire européen austral (VLTI de l'ESOESO). Les astronomesastronomes utilisent pour cela la fameuse technique de synthèse d'ouverturesynthèse d'ouverture qui permet de combiner les observations de plusieurs instruments comme s'il en formait un unique de plus grande taille.


Ce zoom commence par une vue générale de la Voie lactée. Nous plongeons ensuite dans la région centrale poussiéreuse pour l'observer de plus près. Là, un essaim d'étoiles gravite autour d'un objet invisible : un trou noir supermassif,  contenant environ 4,3 millions de fois plus de masse que le Soleil. En s'en rapprochant, on voit ces étoiles, observées par l'instrument Naco sur le Very Large Telescope de l'ESO (la dernière observation datant de 2019). En zoomant davantage, nous voyons des étoiles encore plus proches du trou noir, observées par l'instrument Gravity sur le Very Large Telescope Interferometer de l'ESO à la mi-2021. © ESO/Gravity collaboration/L. Calçada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS. Musique: Johan Mone

L'IA pour percer les secrets des trous noirs

Cela permet d'obtenir une très grande résolutionrésolution et selon le communiqué de l'ESO accompagnant les nouvelles publications, la noosphère a obtenu les images les plus détaillées et les plus nettes à ce jour de la région entourant le trou noirtrou noir supermassif au centre de notre GalaxieGalaxie, avec un gain d'un facteur 20 pour le zoom réalisé. La synthèse d'ouverture n'a pas été la seule technique employée pour atteindre ce résultat, précise le communiqué. Les astronomes ont fait appel à l'IAIA, plus précisément au machine learning, ce que l'on appelle la technique d'apprentissage automatique en français et en l'occurrence celle dénommée théorie des champs d'information.

Que permet donc de faire ce zoom ? Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre (MPE) à Garching, en Allemagne, qui a reçu le prix Nobel en 2020 pour ses recherches avec ses collègues sur Sagittarius A* - recherches qui s'appuient sur l'étude qu'ils mènent depuis trois décennies sur les étoilesétoiles en orbiteorbite autour du trou noir supermassif (comme sa co-lauréate Andrea Ghez) -, l'astrophysicienastrophysicien l'indique en ces termes : « Nous voulons en savoir plus sur le trou noir situé au centre de la Voie lactée, Sagittarius A* : Quelle est sa masse exacte ? Tourne-t-il ? Les étoiles qui l'entourent se comportent-elles exactement comme nous l'attendons de la théorie générale de la relativité d'EinsteinEinstein ? La meilleure façon de répondre à ces questions est de suivre les étoiles sur des orbites proches du trou noir supermassif. Et nous démontrons ici que nous pouvons le faire avec une précision inégalée ».

« Le VLTI nous donne cette incroyable résolution spatiale et, avec les nouvelles images, nous atteignons une profondeur jamais atteinte auparavant. Nous sommes stupéfaits par leur quantité de détails, ainsi que par l'action et le nombre d'étoiles qu'elles révèlent autour du trou noir », ajoute dans le communiqué de l'ESO Julia Stadler, chercheuse à l'Institut Max-Planck d'astrophysiqueastrophysique de Garching, et qui a dirigé les opérations d'imagerie de la collaboration Gravity.


Pour en savoir plus sur le trou noir supermassif de la Voie lactée, Sgr A*, les scientifiques ont zoomé vers le centre de notre Galaxie à l'aide du Very Large Telescope de l'ESO en mode interféromètre pour observer le mouvement des étoiles autour de Sgr A*. Cette vidéo résume ce qu'ils ont découvert. 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 ». © ESO

Une détermination de la masse et de la vitesse de rotation de Sagittarius A*

Déjà dans le cadre de la physique newtonienne, la façon dont un petit corps céleste est en mouvement autour d'un grand sous l'effet de la gravitation permet d'estimer la masse du plus massif. Mais plus ce petit corps est proche du grand, plus les effets propres à la théorie de la relativité générale se font sentir avec des conséquences mesurables. L'exemple le plus célèbre dans le grand public est sans doute celui de l'avance du périhéliepérihélie de l'orbite de MercureMercure.

Plus généralement, les mouvementsmouvements de petits corps matériels, de rayons lumineux ou la propagation d'ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques, comme des ondes radioradio, sont d'autant plus affectés qu'ils sont proches d'un corps massif et/ou dense. De l'étude de ces mouvements on peut même déduire dans le cas d'un trou noir si la géométrie de l'espace-tempsespace-temps courbe autour de lui est celle d'un trou noir de Kerrtrou noir de Kerr en rotation ou celle d'un trou noir de Schwarzschild sans rotation. En fait, c'est également un moyen de déterminer non seulement la masse de ces trous noirs et leur vitesse de rotationvitesse de rotation mais aussi de chercher à déterminer si l'on n'est pas en présence d'objets décrits par d'autres équationséquations que celle de la théorie de la relativité générale, peut-être comme celle de la théorie de la relativité intriquée.

Or justement, en plus d'affiner les mesures des mouvements d'étoiles proches de Sagittarius A*, les astronomes en ont vu une autre baptisée S300.

« Suivre les étoiles sur des orbites rapprochées autour de Sagittarius A* nous permet de sonder avec précision le champ gravitationnel autour du trou noir massif le plus proche de la Terre, de tester la relativité générale et de déterminer les propriétés du trou noir », explique Reinhard Genzel.

S29 est intéressante notamment parce qu'elle détient le record de l'étoile qui s'est approchée le plus près du trou noir à la fin du mois de mai 2021, à seulement 13 milliards de kilomètres, soit environ 90 fois la distance Soleil-Terre, et ce avec une vitesse spectaculaire de 8.740 kilomètres par seconde. Mais c'est encore un peu loin de la valeur qui permet de définir un mouvement relativiste, à savoir à partir de 10 % de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière, que l'espace soit plat ou courbe.

Toujours est-il que nous savons désormais que la masse de Sagittarius A* est de 4,30 millions de masses solaires environ et que le trou noir se trouve à 27.000 années-lumièreannées-lumière du SoleilSoleil environ. La théorie de la gravitation d'Einstein semble toujours aussi victorieuse et continue donc d'être à ce jour la meilleure théorie relativiste de la gravitation que nous ayons.

L'avenir se présente brillamment car une version upgradée des instruments se prépare avec Gravity+, qui permettra de faire des mesures encore plus précises et de débusquer de nouvelles étoiles présentant un intérêt pour étudier le trou noir supermassif. La mise en service prochaine de l'Extremely Large Telescope (ELTELT) devrait permettre d'atteindre un résultat spectaculaire.

« Grâce à la puissance combinée de Gravity+ et de l'ELT, nous serons en mesure de déterminer à quelle vitesse le trou noir tourne. Personne n'a été en mesure de le faire jusqu'à présent », conclut en fin du communiqué de l'ESO Frank Eisenhauer, chercheur principal de la collaboration Gravity et en poste au MPE en Allemagne.   

 


Trou noir supermassif : Gravity observe enfin la précession de Schwarzschild

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 17/04/2020

Les astronomes observent depuis 27 ans, notamment avec les instruments du VLTVLT de l'ESO, les mouvements d'une étoile proche du trou noir supermassif de la Voie lactée. Baptisée S2, cette étoile vient de fournir un nouveau test de la relativité générale en permettant la première mise en évidence de précessionprécession de Schwarzschild avec un trou noir supermassif.

Il y a presque cinq ans déjà on fêtait le centenaire de la découverte de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Depuis des décennies on cherche à la réfuter au profit d'autres théories de la gravitation qui, si elles conservent bien l'espace-temps courbe d'Einstein, utilisent d'autres équations pour gouverner la métrique du champ de gravitation et introduisent éventuellement des champs supplémentaires, souvent scalaires comme celui associé au fameux boson de Brout-Englert-Higgs.

Une des stratégies pour tenter de départager ces théories concurrentes est d'étudier ce qu'elles prédisent en ce qui concerne le mouvement des corps célestes et le comportement des ondes électromagnétiques, via leurs fréquencesfréquences et les trajectoires des rayons lumineux associées dans un champ de gravitation. Pour cela, il faut trouver une solution des équations de la gravitation qui décrivent l'espace-temps autour d'un corps céleste comme, par exemple, le Soleil. Dans le cas de la théorie d'Einstein une telle solution a été trouvée pour décrire une étoile sans rotation et rigoureusement sphérique, ou pour le moins qui peut être en pratique considérée comme telle à une bonne approximation dans la situation étudiée.

Il s'agit de la fameuse solution de Schwarzschild, laquelle s'est trouvée décrire également dans sa version complète un trou noir et cette fois rigoureusement. Or, il se trouve que nous connaissons l'existence d'un trou noir supermassif contenant environ 4 millions de masses solaires au cœur de la Voie lactée. Nous avons donc à notre disposition un excellent laboratoire pour tester la théorie de la relativité générale ainsi que la théorie des trous noirs. Des chercheurs s'y emploient depuis des décennies en étudiant notamment le mouvement des étoiles autour de ce trou noir associé à une source radio et que l'on appelle Sgr A*. En attendant ses premières images que devraient fournir les membres de la collaboration Event Horizon Telescope, Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max-Planck dédié à la Physique extraterrestre (MPE) à Garching en Allemagne, vient de publier un article dans Astronomy & Astrophysics, disponible sur arXiv, dans lequel il expose avec ses collègues les derniers résultats des études concernant Sgr A* qu'il poursuit depuis presque 30 ans, avec notamment les instruments du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO.

Des observations effectuées au moyen du <em>Very Large Telescope</em> (VLT) de l’ESO ont pour la première fois révélé l’accord parfait entre le mouvement d’une étoile en orbite autour du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée et les prévisions de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Son orbite présente l’aspect d’une rosette et non d’une ellipse comme le prédit la théorie de la gravitation de Newton. Cet effet, baptisé précession de Schwarzschild, n’a encore jamais été mesuré pour une étoile en orbite autour d’un trou noir supermassif. Cette vue d’artiste illustre la précession de l’orbite stellaire – l’effet est exagéré afin de permettre une meilleure visualisation. © ESO, L. Calçada
Des observations effectuées au moyen du Very Large Telescope (VLT) de l’ESO ont pour la première fois révélé l’accord parfait entre le mouvement d’une étoile en orbite autour du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée et les prévisions de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Son orbite présente l’aspect d’une rosette et non d’une ellipse comme le prédit la théorie de la gravitation de Newton. Cet effet, baptisé précession de Schwarzschild, n’a encore jamais été mesuré pour une étoile en orbite autour d’un trou noir supermassif. Cette vue d’artiste illustre la précession de l’orbite stellaire – l’effet est exagéré afin de permettre une meilleure visualisation. © ESO, L. Calçada

La première mesure de la précession de Schwarzschild pour un trou noir

En l'occurrence, il s'agit toujours de mesures faites avec celui nommé Gravity et dont Futura avait déjà rendu compte dans les articles précédents ci-dessous. Dans un communiqué de l'ESO, Reinhard Genzel présente les résultats en ces termes : « La théorie de la Relativité Générale d'Einstein prévoit que les orbites liées d'un objet autour d'un autre ne sont pas fermées - contrairement à ce que prédit la théorie de la Gravitation Newtonienne, mais précessent vers l'avant dans le plan du mouvement. Ce fameux effet - observé pour la première fois dans l'orbite que décrit la planète Mercure autour du Soleil - constitua la toute première preuve de la validité de la théorie de la Relativité Générale. Une centaine d'années plus tard, nous venons de déceler la même caractéristique au sein du mouvement d'une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A*, située au centre de la Voie lactée. Ce résultat observationnel renforce l'idée selon laquelle Sagittarius A* constitue un trou noir supermassif dont la masse avoisine les 4 millions de masses solaires. ».

L'étoile dont parle Reinhard Genzel est célèbre sous le nom de S2. Elle est située à 26.000 années-lumière du Système solaireSystème solaire et elle boucle en 16 ans son orbite autour du trou noir supermassif de la Voie lactée. Selon les lois de Keplerlois de Kepler, elle se déplace sur une orbite elliptique, qui précesse du fait des équations de la relativité générale, et sa vitesse est la plus importante lorsqu'elle passe au plus près du trou noir à une distance inférieure à quelque 20 milliards de kilomètres, ce qui représente 120 fois la distance Terre-Soleil. Cette vitesse est alors vertigineuse car elle est de l'ordre de 3 % de la vitesse de la lumière.


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)

Bientôt une mesure de la rotation du trou noir Sgr A* ?

Les astronomes mesurent les mouvements de S2 depuis 27 ans, ce qui veut dire qu'ils l'ont vu amorcer une seconde orbite autour de Sgr A* et qu'ils peuvent donc effectivement observer l'effet qu'ils appellent la précession de Schwarzschild et ce pour la première fois pour une étoile en orbite autour d'un trou noir supermassif. Mais il y a mieux, comme l'expliquent toujours dans un communiqué de l'ESO Guy Perrin et Karine Perraut, les astronomes français responsables du projet dans le cadre d'une équipe internationale dirigée par Franck Einsenhauer du MPE et qui a permis d'obtenir ce résultat spectaculaire : « Les mesures effectuées sur S2 sont en accord si parfait avec la théorie de la Relativité Générale que nous pouvons estimer la quantité de matière invisible, telle la distribution de matière noirematière noire ou l'éventuelle présence de trous noirs de taille inférieure, autour de Sagittarius A*. Ce champ d'investigation présente un intérêt certain pour notre compréhension de la formation et de l'évolution des trous noirs supermassifs. ».

Paulo Garcia, chercheur au Centre d'astrophysique et de gravitation du Portugal, un autre des responsables scientifiques du projet, rappelle un résultat déjà obtenu et dont Futura avait rendu compte dans l'un des articles ci-dessous : « Notre précédent résultat a montré que la lumière émise par l'étoile subit l'effet de la Relativité Générale. À présent, nous démontrons que l'étoile elle-même ressent les effets de la Relativité Générale. ».

Dans un futur proche, les chercheurs s'attendent à aller encore plus loin en débusquant des étoiles moins lumineuses et plus proches de l'horizon des événementshorizon des événements de Sgr A*. Cela devrait être possible avec l'Extremely Large Telescope de l'ESO et on devrait avoir accès à des effets relativistes produits par la rotation du trou noir, effet découlant d'une autre solution des équations d'Einstein, celle découverte en 1963 par le mathématicien Roy Kerr et qui porteporte son nom. Non seulement on aurait alors accès à une nouvelle estimation de la masse du trou noir mais aussi, et pour la première fois, à la valeur de son moment cinétiquemoment cinétique si l'astreastre compact est bien en rotation, ce qui est très crédible.

Cette vue à champ large dans le domaine visible montre les riches amas d’étoiles qui peuplent la constellation du Sagittaire dans la direction du centre de notre galaxie, la Voie lactée. La totalité de l’image est emplie de très nombreuses étoiles – bon nombre d’entre elles toutefois sont masquées par des nuages de poussière et ne révèlent leur présence que dans le domaine infrarouge. Cette vue a été constituée à partir de photographies acquises dans les longueurs d’onde rouge et bleue issues du <em>Digitized Sky Survey 2</em>. Le champ de vue est voisin de 3,5 degrés x 3,6 degrés. © <em>ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard</em>
Cette vue à champ large dans le domaine visible montre les riches amas d’étoiles qui peuplent la constellation du Sagittaire dans la direction du centre de notre galaxie, la Voie lactée. La totalité de l’image est emplie de très nombreuses étoiles – bon nombre d’entre elles toutefois sont masquées par des nuages de poussière et ne révèlent leur présence que dans le domaine infrarouge. Cette vue a été constituée à partir de photographies acquises dans les longueurs d’onde rouge et bleue issues du Digitized Sky Survey 2. Le champ de vue est voisin de 3,5 degrés x 3,6 degrés. © ESO and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgment: Davide De Martin and S. Guisard

 


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

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 solidesolide, 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 infrarougeinfrarouge polarisé en provenance du disque d'accrétiondisque 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 solaireséruptions solaires mais localisées au niveau de points chaudspoints 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 NewtonNewton.


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 sérendipitésérendipité alors que les astrophysiciens étaient avant tout occupés à observer l'étoile S2 (en effet, l'existence de ces paquetspaquets 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).

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
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

Voir aussi

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

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

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 cerveaucerveau d'HomoHomo, 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 cosmoscosmos. 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 périastrepériastre, 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 fenêtrefenêtre 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 PlanckPlanck 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'interférométrieinterférométrie 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 rougedécalage 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 éclipseéclipse 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 blanchesnaines 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 DemeersmanXavier 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 miroirmiroir 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 physiciensphysiciens, 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'interférenceinterférence 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 luminositéluminosité. » 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 NeptuneNeptune 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'énergieénergie 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).