Au centre de la galaxie de la Voie lactée, à près de 26 000 années-lumière, un groupe d'étoiles entoure le trou noir supermassif appelé Sagittaire A *. Alors que ces dizaines d'étoiles, appelées étoiles S, s'approchent du trou noir - environ quatre millions de fois plus massif que le soleil -, son immense force gravitationnelle les fait tourner à une vitesse supérieure à 16 millions de miles par heure. En fait, l'attraction gravitationnelle du Sagittaire A * est si intense qu'elle déforme la lumière de ces étoiles lorsqu'elles s'éloignent trop près, allongeant les longueurs d'onde vers la partie rouge du spectre électromagnétique.
Une étoile en particulier, S0-2, est si proche du sagittaire A * que les astronomes ont constaté qu’il s’agissait de l’un des meilleurs laboratoires naturels pour tester les limites de notre théorie fondamentale de la gravité: la relativité générale d’Einstein.
Pendant plus de deux décennies, les astrophysiciens ont suivi les mouvements de S0-2 afin de mieux comprendre le fonctionnement de la gravité et de mettre à l’épreuve la théorie d’Einstein. En imaginant la position de l'étoile et en mesurant le spectre de sa lumière, les chercheurs espèrent déterminer si l'orbite de S0-2 autour du trou noir correspond au trajet prédit par la relativité générale. Dans une étude publiée aujourd'hui dans Science, une équipe internationale d'astronomes rapporte que le comportement de l'étoile est en accord avec la théorie de la gravité d'Einstein, confirmant que la relativité générale est toujours valable dans la région entourant un trou noir supermassif, du moins pour le moment.
«Vous voulez tester la théorie dans un environnement aussi extrême que possible ... pour la pousser plus loin que prévu», déclare Tuan Do, chercheur à UCLA spécialisé dans le centre galactique et auteur principal de l'étude. .
Image des orbites des étoiles autour du trou noir supermassif au centre de notre galaxie. L'orbite de l'étoile S0-2 est mise en surbrillance. C'est la première étoile qui possède suffisamment de mesures pour tester la relativité générale d'Einstein autour d'un trou noir supermassif. (Keck / UCLA Galactic Center Group) La théorie de la relativité générale d'Einstein décrit les trois dimensions de l'espace et la dimension du temps comme intrinsèquement liées à un «tissu» d'espace-temps. Les objets volumineux, comme les étoiles et les trous noirs, déforment ce tissu pour allonger les distances et ralentir le temps, attirant les objets environnants vers eux. Nous percevons cet effet comme de la gravité: une pomme qui tombe d'un arbre. Mais la lumière est également affectée par les forces gravitationnelles, se pliant lorsqu'elle se déplace dans l'espace-temps déformé autour d'un objet massif.
Selon la relativité générale, les trous noirs supermassifs tels que Sagittarius A * créent une grande courbe dans l'espace-temps, produisant un champ gravitationnel extrêmement puissant. Lorsqu'une étoile s'approche d'un trou noir, des photons de lumière émise sont attirés dans le champ et la lumière qui s'échappe et se dirige vers la Terre doit sortir du puits de gravitation du trou noir. Le résultat est que la lumière observée a une énergie plus faible - une fréquence plus basse et une longueur d'onde plus longue - produisant un spectre plus rouge. Les scientifiques comparent les prévisions de la relativité générale concernant cet effet, appelé redshift gravitationnel, aux longueurs d'onde mesurées de la lumière entrante provenant d'étoiles telles que S0-2 pour vérifier si la théorie est vraie.
Cependant, un certain nombre de facteurs autres que la gravité peuvent influer sur le décalage vers le rouge, notamment si un objet s'éloigne ou se dirige vers l'observateur. "Le coeur de la question est, fondamentalement, pouvez-vous mesurer tous ces autres effets assez pour que vous puissiez dire avec confiance que ce que vous voyez est un décalage vers le bas gravitationnel, et pas simplement un autre moyen de régler l'orbite du étoile, dit Do.
S0-2 orbite le Sagittaire A * tous les 16 ans. En mai 2018, il atteignait son point le plus proche du trou noir: 120 unités astronomiques (un peu plus de 11 milliards de milles) et un peu moins de trois pour cent de la vitesse de la lumière (environ 18 millions de milles à l'heure). À ce stade, l'effet de décalage vers le rouge est particulièrement notable, car l'attraction gravitationnelle du Sagittaire A * devient plus forte lorsque l'étoile se rapproche. En mars et septembre de la même année, l'étoile a également atteint ses points de vitesse radiale maximale et minimale, ce qui signifie qu'elle se déplaçait le plus rapidement et le plus lentement par rapport à un observateur sur Terre. Les signaux de décalage vers le rouge de ces trois événements sont essentiels pour cartographier la forme de l'orbite de l'étoile où les effets de la gravité sont les plus extrêmes.
«Le signal de décalage vers le rouge est le plus fort au point d'approche le plus proche parce qu'il est le plus proche du trou noir, mais ce n'est pas le plus facile à mesurer car nous sommes vraiment sensibles à… ce sont les changements de la vitesse relative, vous voulez donc le capturer sur le côté ascendant et descendant de ce signal », dit Do.
À mesure que l'étoile S0-2 se rapproche du trou noir au centre de notre galaxie, sa lumière s'étire dans les parties les plus rouges du spectre électromagnétique, phénomène prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. (Nicole R. Fuller / Fondation nationale des sciences) Les trous noirs supermassifs sont des terrains de jeu déroutants pour tester la physique car ils ne correspondent pas parfaitement aux théories dominantes actuelles. «Les trous noirs sont à la fois très massifs et extrêmement compacts. C’est un peu le lieu où la relativité générale et la mécanique quantique entrent en collision», dit Do. Tandis que la mécanique quantique décrit les plus petites particules de notre univers - un domaine où la gravité peut généralement être ignorée - la relativité générale traite d'objets massifs dotés de champs de gravitation immenses. Certains physiciens s'attendent à ce que ces deux théories se concrétisent au centre même d'un trou noir, où l'on pense qu'une immense masse est contenue dans un volume infiniment petit, appelé la singularité gravitationnelle.
«Presque toutes les tentatives visant à comprendre la gravité au niveau quantique et à comprendre comment elle s'accorde avec les autres forces de la nature semblent suggérer que la relativité générale est incomplète et doit s'effondrer ou s'écarter d'une certaine manière, ce qui se produirait avec une forte gravité. », Indique Clifford Johnson, physicien théoricien de l’Université de Californie du Sud qui n’a pas participé à l’étude, dans un courrier électronique. «Le voisinage des trous noirs, grands et petits, devient de plus en plus une arène d’observation pour une forte gravité… où nous avons une chance de voir où la relativité générale s’écroule, et le cas échéant, révélant peut-être la physique de notre univers, et plus sur la nature de l'espace et du temps. "
L'équipe de recherche a utilisé une combinaison d'images de télescope et de spectroscopie pour cartographier l'orbite de S0-2. Étant donné que l'atmosphère autour de la Terre est toujours en mouvement, brouillant notre vision du ciel, ils ont eu recours à l'optique adaptative et à une technique appelée imagerie de chatoiement pour capturer une image claire. Ils utilisaient essentiellement un miroir flexible, déformé des milliers de fois par seconde par des actionneurs. et a pris des instantanés du ciel pour corriger le flou atmosphérique.
«L'atmosphère terrestre est excellente pour les humains, mais pas pour l'astronomie. ... C'est comme regarder un caillou sous une rivière et vous essayez de mesurer la position du caillou », dit Do. "Fondamentalement, nous essayons de supprimer le scintillement dans les étoiles."
Les lasers des deux télescopes Keck se sont propagés dans la direction du centre galactique. Chaque laser crée une étoile artificielle qui peut être utilisée pour corriger le flou dû à l'atmosphère terrestre. (Ethan Tweedie) Les chercheurs ont tracé une orbite pour S0-2 et l'ont comparée aux prédictions du modèle de relativité générale et du modèle de physique newtonien plus simple. L’équipe a découvert que l’étoile se déplaçait presque 450 000 milles à l’heure plus rapidement que ce que la gravité newtonienne aurait prédit, et que le modèle de relativité générale avait 43 000 fois plus de chances d’expliquer leurs observations.
«La théorie de la relativité générale d'Einstein a de nouveau donné raison, compte tenu de la précision des mesures», explique Nikodem Poplawski, mathématicien et physicien de l'Université de New Haven, qui n'a pas participé à la nouvelle étude. Il souligne également que les résultats confirment l'existence de trous noirs tels que décrits par la relativité générale. "En plus de ce qui a été observé en avril avec la première image d'un trou noir, nous avons maintenant ici davantage de preuves que ce que contient notre Voie Lactée est un trou noir supermassif."
Des travaux similaires rapportés l'année dernière ont également affirmé que l'orbite de S0-2 suivait les prédictions de la relativité générale. Cependant, ces nouveaux résultats ajoutent des preuves supplémentaires provenant de trois mois supplémentaires de données prises lorsque l'étoile était la plus proche du Sagittaire A * et que le signal de décalage vers le rouge était le plus puissant, y compris le troisième événement orbital crucial en septembre de l'année dernière.
«La possibilité que vous puissiez mesurer la relativité générale au centre galactique existe depuis une décennie», dit Do. «Dire que nous pouvons enfin le faire, cela marque pour moi le début d'une ère de tests de gravité encore plus centraux au centre de la galaxie et ouvre de nombreuses pistes pour davantage de science autour du trou noir supermassif.» l'équipe de recherche continuera à suivre les mouvements des étoiles S, à approfondir les mystères des trous noirs et la physique qui régit notre univers.
