Un trou noir a permis de confirmer l'une des prédictions de la relativité générale

En observant une étoile filer à 24 millions de km/h aux abords d'un trou noir supermassif, les chercheurs de l’Observatoire européen austral ont confirmé l'hypothèse du rougissement gravitationnel.

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août 13 2018, 7:30am

Une vue d'artiste du passage de S2 aux abords de Sagittaire A*. Image : ESO 

Le trou noir supermassif le plus proche de nous s'appelle Sagittaire A* — astérisque comprise. Confiant dans son diamètre de 44 millions de kilomètres, il gobe tout ce qui passe à sa portée dans ses quartiers du centre de la Voie lactée, à 26 000 années-lumière de la Terre.

En mai dernier, au Chili, des astronomes de l’Observatoire européen austral (ESO) ont observé le passage d'une étoile de très faible luminosité, baptisée S2, dans le champ gravitationnel de Sagittaire A*. Ce faisant, ils ont vérifié une prédiction importante de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

On estime que Sagittaire A* pèse aussi lourd que quatre millions de Soleil et que son champ gravitationnel est le plus fort de notre galaxie. Résultat : les étoiles qu'il capture atteignent des vitesses orbitales de plusieurs millions de kilomètres par heure. Ces conditions extrêmes font du trou noir l’endroit idéal pour tester les théories de la physique gravitationnelle, et notamment celle de la relativité générale d'Albert Einstein.

Selon cette théorie, un champ gravitationnel fort affecte la lumière en provoquant un décalage de sa longueur d’onde vers le rouge. Ce phénomène est connu sous le nom de décalage vers le rouge gravitationnel, ou décalage d’Einstein.

Le 19 mai dernier, lors de son passage au plus près de Sagittaire A*, S2 se trouvait à 12,4 milliards de kilomètres du trou noir et se déplaçait à plus de 24 millions de kilomètres par heure, près de 3 % de la vitesse de la lumière. En observant la course effrénée de l'étoile, les astronomes ont noté que sa lumière subissait un fort décalage vers le rouge. Les valeurs de ce décalage correspondaient précisément aux valeurs prédites par Einstein.

Une simulation des orbites stellaires autour de Sagittaire A*, au centre de notre galaxie. Image : ESO

Les astronomes de l'ESO observent les trois noirs de notre galaxie depuis 26 ans. Cependant, ce n'est que récemment que leurs instruments sont devenus assez sensibles pour effectuer ce genre d'observations. Bien conscients du fait que S2 n'approche du trou noir qu'une fois tous les 16 ans, les astronomes ont voulu s'assurer qu'ils pourraient tirer le maximum de la situation.

L'ESO dispose de quatre télescopes principaux, chacun doté d'un miroir de 8,20 mètres de diamètre. Ensemble, ils forment le réseau de télescopes le plus avancé au monde. S'ils ont pu suivre le périple de S2, c'est grâce à de nouveaux instruments de haute-sensibilité : SINFONI, qui a servi à déterminer la vitesse de l’étoile, et GRAVITY, qui a capturé des images haute résolution de S2 toutes les nuits afin de suivre son mouvement et tracer son orbite.

« C'est la deuxième fois que nous observons le passage de S2 aux abords du trou noir qui réside au centre de notre galaxie », a déclaré Reinhard Genzel, physicien à l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre. « Mais cette fois-ci, grâce des instruments nettement améliorés, nous avons pu observer l’étoile avec une résolution sans précédent. Nous nous sommes préparés intensivement pendant plusieurs années, car nous voulions profiter au mieux de cette opportunité unique d’observer des effets relativistes. »