Einstein avait raison: observation d'une étoile qui danse autour d'un trou noir supermassif

Publié par Adrien le 17/04/2020 à 09:00
Source: ESO
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 siégeant au coeur de la Voie Lactée et les prévisions de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux...) générale d'Einstein. Son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) présente l'aspect d'une rosette et non d'une ellipse comme le prédit la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) de Newton. Ce résultat tant attendu a été permis par le gain constant en précision des mesures effectuées ces 30 dernières années. Il offre aux astronomes la possibilité de percer le mystère entourant ce monstre tapi au centre de notre galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.).


“La théorie de la Relativité Générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste de la...) d'Einstein prévoit que les orbites liées d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) 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 (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne...) Mercure autour du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) - 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 (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la...) en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A* située au centre de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans...). Ce résultat observationnel renforce l'idée selon laquelle Sagittarius A* constitue un trou noir supermassif (En astrophysique, un trou noir supermassif est un trou noir dont la masse est d'environ un million à un milliard de masses solaires. C'est le type de trou noir le plus...) dont la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre...) avoisine les 4 millions de masses solaires”, rapporte Reinhard Genzel, Directeur de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne - 4 octobre 1947 à Göttingen, Allemagne) est un physicien allemand. Il est lauréat du prix...) dédié à la Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) Extraterrestre (MPE) à Garching en Allemagne, et architecte (L'architecte est le professionnel du bâtiment dont la fonction est de concevoir et de diriger la réalisation d'une œuvre d'architecture pour le compte d'un...) du programme de 30 ans ayant conduit à ce résultat.

Situés à 26 000 années lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) du Soleil, Sagittarius A* et l'amas stellaire (Un amas stellaire est une concentration locale d'étoiles d'origine commune dans un espace dont les dimensions peuvent atteindre 200 pc, et liées entre elles par la gravitation.) dense qui l'entoure offrent un laboratoire unique de test des lois de la physique dans des conditions de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) extrêmes et inexplorées. L'une de ces étoiles, baptisée S2, s'approche du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de...) supermassif à une distance inférieure à quelque 20 milliards de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) - ce qui représente 120 fois la distance Terre-Soleil. Elle est à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) l'une des étoiles dont l'orbite la rapproche le plus de ce type de monstre céleste. A distance minimale du trou noir, S2 se déplace à une vitesse (On distingue :) avoisinant 3% de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un...), complétant son orbite en 16 ans seulement. “Après avoir suivi le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) de l'étoile sur son orbite durant plus de 25 ans, nos mesures précises ont mis en évidence la précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous l'action de l'environnement, par exemple, dans...) de Schwarzschild qui modifie la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) de l'étoile S2 autour de Sagittarius A*” précise Stefan Gilliessen du MPE, qui a dirigé l'analyse des mesures publiées ce jour au sein de la revue Astronomy & Astrophysics.

La plupart des étoiles et des planètes sont dotées d'une orbite non circulaire, ce qui les rapproche puis les éloigne périodiquement de l'objet autour desquelles elles se meuvent. L'orbite de S2 précesse, ce qui signifie que le périgée de son orbite autour du trou noir supermassif change à chaque rotation, de sorte que l'orbite suivante est en rotation par rapport à la précédente, générant l'aspect d'une rosette. La théorie de la Relativité Générale permet de déterminer avec précision l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de ce changement, qui s'avère être en parfait accord avec les dernières mesures effectuées à partir des observations. Cet effet, baptisé précession de Schwarzschild, n'avait encore jamais été mesuré pour une étoile en orbite autour d'un trou noir supermassif.

Cette étude menée grâce au VLT de l'ESO a par ailleurs permis aux scientifiques de mieux connaître l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec...) du trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie. “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 (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques élémentaires. L'unité qui lui correspond est la mole.) invisible, telle la distribution de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d’effets inattendus,...) ou l'éventuelle présence de trous noirs de taille inférieure, autour de Sagittarius A*. Ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'investigation présente un intérêt certain pour notre compréhension de la formation et de l'évolution des trous noirs supermassifs” ajoutent Guy Perrin et Karine Perraut, les scientifiques français responsables du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...).

Ce résultat constitue l'aboutissement de 27 années d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de l'étoile S2, principalement au moyen d'instruments installés sur le VLT de l'ESO dans le désert (Le mot désert désigne aujourd’hui une zone stérile ou peu propice à la vie, en raison du sol impropre, ou de la faiblesse des précipitations (moins de 250 mm par an).) chilien de l'Atacama. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) relatives à la position et à la vitesse de l'étoile témoigne de la rigueur et de la précision du travail de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....): l'équipe a effectué plus de 330 mesures au moyen des instruments GRAVITY, SINFONI et NACO. Parce que des années sont nécessaires à S2 pour décrire son orbite autour du trou noir supermassif, il était crucial de suivre l'étoile durant près de trois décennies afin de saisir toutes les subtilités de son mouvement.

Ce travail de recherche incombe à une équipe internationale dirigée par Franck Einsenhauer du MPE, et composée de chercheurs oeuvrant au sein de laboratoires français, portugais, allemands et de l'ESO. Cette équipe constitue la collaboration GRAVITY, du nom de l'instrument qu'elle a développé pour l'interféromètre du VLT, qui combine la lumière des quatre télescopes de 8 mètres du VLT pour en faire un super télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille...) (dont la résolution équivaut à celle d'un télescope de 130 mètres de diamètre). En 2018, la même équipe avait rapporté l'observation d'un autre effet prédit par la théorie de la Relativité Générale: la lumière en provenance de l'étoile S2 s'étirait vers de plus grandes longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) à mesure que l'étoile s'approchait de Sagittarius A*. “Notre précédent résultat a montré que la lumière émise par l'étoile subit l'effet de la Relativité Générale. A présent, nous démontrons que l'étoile elle-même ressent les effets de la Relativité Générale” précise Paulo Garcia, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) au Centre d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) et de Gravitation du Portugal et l'un des responsables scientifiques du projet.

Avec l'Extremely Large Telescope de l'ESO, l'équipe pense pouvoir observer des étoiles de magnitude plus élevée orbitant à plus faible distance du trou noir supermassif de notre galaxie. “Si nous sommes chanceux, nous devrions être capables de détecter la présence d'étoiles suffisamment proches du trou noir pour ressentir les effets de sa rotation” précise Andreas Eckart de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Cologne, autre responsable scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) du projet. Cela signifierait alors que les astronomes seraient en mesure de déterminer deux quantités, à savoir le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme...) et la masse de Sagittarius A*, et de définir l'espace et le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) qui l'environnent. “Cela constituerait un test complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de...) différent de la théorie de la Relativité Générale” conclut Andreas Eckart.
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