En 1915, Albert Einstein publie sa célèbre théorie de la relativité générale, qui fournit une description unifiée de la gravité en tant que propriété géométrique de l'espace et du temps. Cette théorie a donné naissance à la théorie moderne de la gravitation et a révolutionné notre compréhension de la physique. Même si un siècle s'est écoulé depuis, les scientifiques mènent toujours des expériences qui confirment les prédictions de sa théorie.
Grâce aux récentes observations d'une équipe d'astronomes internationaux (connue sous le nom de collaboration GRAVITY), les effets de la relativité générale ont été révélés pour la toute première fois à l'aide d'un trou noir supermassif (SMBH). Ces résultats ont été l’aboutissement d’une campagne d’observation de la SMBH de 26 ans au centre de la Voie lactée (Sagittaire A *) à l’aide des instruments de l’Observatoire européen austral (ESO).
L’étude qui décrit les conclusions de l’équipe a récemment été publiée dans la revue Astronomie et astrophysique, intitulé "Détection du décalage gravitationnel vers le rouge dans l'orbite de l'étoile S2 près du trou noir massif du centre galactique". L'étude a été dirigée par Roberto Arbuto de l'ESO et comprenait des membres de la collaboration GRAVITY - dirigée par Reinhard Genzel du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) et comprend des astronomes de plusieurs universités et instituts de recherche européens.
Pour les besoins de son étude, l’équipe s’est appuyée sur les données recueillies par les instruments extrêmement sensibles et de haute précision du VLT. Ceux-ci comprenaient l'instrument astrométrique et interférométrique GRAVITY, le spectrographe pour les observations de champ intégré dans le proche infrarouge (SINFONI) et le système Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) - Instrument imageur et spectrographe proche infrarouge (CONICA), qui sont ensemble appelés NACO.
Les nouvelles observations infrarouges recueillies par ces instruments ont permis à l'équipe de surveiller l'une des étoiles (S2) qui orbite autour du Sagittaire A * lors de son passage devant le trou noir - qui a eu lieu en mai 2018. Au point le plus proche de son orbite , l'étoile se trouvait à moins de 20 milliards de km (12,4 milliards de mi) du trou noir et se déplaçait à une vitesse supérieure à 25 millions de km / h (15 millions de mph) - près de trois pour cent de la vitesse de la lumière .
Alors que l'instrument SINFONI était utilisé pour mesurer la vitesse de S2 vers et loin de la Terre, l'instrument GRAVITY dans l'interféromètre VLT (VLTI) a fait des mesures extraordinairement précises de la position changeante de S2 afin de définir la forme de son orbite. L'instrument GRAVITY a ensuite créé des images nettes qui ont révélé le mouvement de l'étoile lorsqu'elle passait près du trou noir.
L'équipe a ensuite comparé les mesures de position et de vitesse aux observations précédentes de S2 à l'aide d'autres instruments. Ils ont ensuite comparé ces résultats avec les prédictions faites par la loi de Newton sur la gravitation universelle, la relativité générale et d'autres théories de la gravité. Comme prévu, les nouveaux résultats étaient conformes aux prévisions faites par Einstein il y a plus d'un siècle.
Comme Reinhard Genzel, qui en plus d'être le leader de la collaboration GRAVITY était co-auteur du document, l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de l'ESO:
«C'est la deuxième fois que nous observons le passage rapproché de S2 autour du trou noir de notre centre galactique. Mais cette fois, grâce à une instrumentation bien améliorée, nous avons pu observer l'étoile avec une résolution sans précédent. Nous nous préparons intensément à cet événement depuis plusieurs années, car nous voulions profiter de cette occasion unique pour observer les effets relativistes généraux. »
Lorsqu'elle a été observée avec les nouveaux instruments du VLT, l'équipe a noté un effet appelé redshift gravitationnel, où la lumière provenant de S2 a changé de couleur en se rapprochant du trou noir. Cela était dû au très fort champ gravitationnel du trou noir, qui étirait la longueur d'onde de la lumière de l'étoile, la faisant se déplacer vers l'extrémité rouge du spectre.
Le changement de la longueur d'onde de la lumière de S2 correspond exactement à ce que prédit l'équation de champ d'Einstein. Comme Frank Eisenhauer - un chercheur de l'Institut Max Planck de physique extraterrestre, le chercheur principal de GRAVITY et du spectrographe SINFONI, et co-auteur de l'étude - a indiqué:
“Nos premières observations de S2 avec GRAVITY, il y a environ deux ans, ont déjà montré que nous aurions le laboratoire de trou noir idéal. Au cours du passage rapproché, nous avons même pu détecter la faible lueur autour du trou noir sur la plupart des images, ce qui nous a permis de suivre précisément l'étoile sur son orbite, ce qui a finalement conduit à la détection du décalage vers le rouge gravitationnel dans le spectre de S2.”
Alors que d'autres tests ont été effectués qui ont confirmé les prédictions d'Einstein, c'est la première fois que les effets de la relativité générale sont observés dans le mouvement d'une étoile autour d'un trou noir supermassif. À cet égard, Einstein a encore une fois fait ses preuves, utilisant l'un des laboratoires les plus extrêmes à ce jour! De plus, il a confirmé que les tests impliquant des effets relativistes peuvent fournir des résultats cohérents dans le temps et l'espace.
«Ici, dans le système solaire, nous ne pouvons tester les lois de la physique que maintenant et dans certaines circonstances», a déclaré Françoise Delplancke, chef du département d'ingénierie système à l'ESO. "Il est donc très important en astronomie de vérifier également que ces lois sont toujours valables là où les champs gravitationnels sont beaucoup plus forts."
Dans un avenir proche, un autre test relativiste sera possible lorsque S2 s'éloignera du trou noir. Ceci est connu comme une précession de Schwarzschild, où l'étoile devrait connaître une petite rotation sur son orbite. La Collaboration GRAVITY surveillera également S2 pour observer cet effet, en s'appuyant une fois de plus sur les instruments très précis et sensibles du VLT.
Comme l’a indiqué Xavier Barcons (directeur général de l’ESO), cette réalisation a été rendue possible grâce à l’esprit de coopération internationale que représente la collaboration GRAVITY et les instruments qu’ils ont aidés à développer l’ESO:
«L'ESO travaille avec Reinhard Genzel et son équipe et ses collaborateurs dans les États membres de l'ESO depuis plus d'un quart de siècle. C'était un énorme défi de développer les instruments particulièrement puissants nécessaires pour faire ces mesures très délicates et de les déployer au VLT à Paranal. La découverte annoncée aujourd'hui est le résultat très excitant d'un partenariat remarquable. »
Et n'oubliez pas de regarder cette vidéo du test réussi de GRAVITY Collaboration, gracieuseté de l'ESO:
