Vidéo - Valse avec le trou noir au centre de notre galaxie

Publié par Adrien le 18/05/2020 à 09:00
Source: Observatoire de Paris
Nous avons annoncé récemment la détection d'un effet très particulier: une étoile du centre de notre Galaxie "danse" en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée (voir notre article). Son orbite, suivie depuis 30 ans, était jusqu'à cette année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) parfaitement décrite par une ellipse.


Pour la première fois, l'équipe internationale a observé ce mois-ci une déviation infime de l'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.) de l'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...) par rapport à une simple ellipse, de l'ordre de quelques centaines de microsecondes d'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.), soit la taille d'une boîte à chaussures vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) sur la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne séparant la Terre de...).

Pour comprendre ce que cette détection signifie, il est utile de faire un pas en arrière et de considérer l'évolution des idées sur la notion d'orbite des corps célestes.La plupart des étoiles et des planètes décrivent des orbites non circulaires, s'approchant puis s'éloignant périodiquement de l'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....) 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...) duquel elles gravitent. L'orbite de l'étoile S2 précesse, en orbite autour du 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...) situé au coeur 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 laquelle se situent le Système...), ce qui signifie que le point (Graphie) de l'orbite le plus proche 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 rayonnement de...) change au fil des rotations, générant l'aspect d'une rosette. Cet effet n'avait encore jamais été mesuré pour une étoile orbitant autour d'un trou noir supermassif.

La Terre au centre: le cosmos des Grecs anciens

L'école de Pythagore (Pythagore (en grec ancien Πυθαγόρας / Pythagóras) est un philosophe, mathématicien et scientifique qui serait né aux environs de 580 av. J.-C. à...) apporte deux avancées considérables en science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances,...): le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) est considéré comme principe premier des choses et la systématisation de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle,...) débute - Pythagore généralise son fameux théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à partir d'axiomes. Un théorème...), qui était déjà connu en pratique des Égyptiens pour des triangles particuliers.


Système géocentrique, dit de Ptolémée, hérité de celui d'Eudoxe de Cnide, représenté en 1539 dans la Cosmographie de Petrus Apianus. L'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est divisé en 8 sphères concentriques.
© Wikipedia

Platon, autour de 400 avant notre ère, propose un modèle du cosmos basé sur des sphères imbriquées: la Terre est au centre, entourée des sphères de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) et du feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.). Les astres se meuvent au-delà, à des distances croissantes: la Lune d'abord, puis les autres planètes connues et le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...), et enfin la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un...) des étoiles lointaines fixes. Ce modèle, développé par Eudoxe de Cnide - un "thésard" de Platon (Platon (en grec ancien Πλάτων / Plátôn), Athènes, 428 - 427 av. J.-C., 347 - 346 av. J.-C., est un...) dirait-on aujourd'hui, postule que les astres se déplacent à vitesse (On distingue :) constante en suivant des orbites circulaires le long des sphères imbriquées.

Le système héliocentrique et l'avènement de la physique moderne

Malgré les développements apportés par Ptolémée (Ie siècle) au modèle d'Eudoxe, les éléments de base de la compréhension du cosmos n'ont pas évolué de façon radicale avant le XVIe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge du...). Vers 1530, la révolution copernicienne (La révolution copernicienne est la transformation des méthodes scientifiques et des idées philosophiques qui a accompagné le changement de représentation de l'univers du XVe au XVIIIe siècle, faisant...) place le Soleil, et non plus la Terre, au centre du cosmos, et considère les astres en orbite circulaire autour du Soleil. Vers 1580, Tycho Brahe (Tycho Brahe (Tyge Ottesen Brahe), dit Le noble Danois ou L’homme au nez d’or (14 décembre 1546 — 24 octobre 1601), est un astronome danois originaire de...) réalise des observations d'une précision stupéfiante sur une très grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) de sources lumineuses. Au tournant du XVIIe siècle, Johannes Kepler (Johannes Kepler (ou Keppler), né le 27 décembre 1571 à Weil der Stadt dans le Bade-Wurtemberg et mort le 15 novembre 1630 à Ratisbonne en Bavière, est un astronome...) synthétise les observations de Tycho Brahe et le système de Copernic pour les systématiser dans les fameuses lois de Kepler (En astronomie, les lois de Kepler décrivent les propriétés principales du mouvement des planètes autour du Soleil, sans les expliquer. Elles ont été découvertes par Johannes Kepler à...), toujours enseignées de nos jours (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...).

Le résultat de l'équipe GRAVITY, cette ellipse en 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 le cas de...), doit être analysé en référence aux lois de Kepler. En effet, Kepler apporte deux éléments fondamentaux: d'une part, le rôle de "moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce...)" joué par le Soleil dans le mouvement des astres, alors que les descriptions précédentes se contentaient d'entériner le fait que les astres tournent, soit autour de la Terre, soit autour du Soleil, sans voir de lien de cause à effet entre la présence du corps central et le mouvement des astres autour de lui. D'autre part, les observations de Tycho Brahe lui permettent de remplacer 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, souvent...) du mouvement circulaire datant d'Eudoxe par un mouvement elliptique. Avec Newton vers 1680, les avancées de Kepler sont confirmées et incluses dans un système d'explication beaucoup plus vaste, qui formera la pierre angulaire de l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs...) jusqu'à Einstein. En effet, la théorie de Newton montre mathématiquement qu'un corps (par exemple une planète) subissant l'attraction gravitationnelle d'un autre corps (par exemple le Soleil) suit une conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques, qui peuvent être définies de plusieurs manières différentes, toutes équivalentes entre elles.) - dont les exemples les plus simples sont les cercles et les ellipses - validant ainsi les idées de Kepler.


Représentation du système solaire dans le "Twentieth Century Atlas of Popular Astronomy" de 1908, par Thomas Heath.
© Thomas Heath/Flickr, CC BY

La relativité générale

Einstein, héritier direct de Newton, reformule les lois de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en raison de l'attraction terrestre qui nous retient au sol....) en 1915, et aboutit aux lois de la relativité générale, qui englobent et dépassent considérablement la théorie newtonienne.

Une des conséquences de la relativité générale porte sur les orbites des corps célestes. Elle prédit que les orbites des planètes autour du Soleil ne suivent pas des ellipses képleriennes, mais se décalent peu à peu pour former une rosace (Une rosace est une figure symétrique, formée de courbes inscrites dans un cercle à partir d'un point ou bouton central, ayant plus ou moins la forme d'une rose ou d'une étoile stylisée, et utilisée comme motif de décoration.), dans ce mouvement de "danse" évoqué au début de l'article.

Einstein se souvient alors que l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) français Urbain Le Verrier avait mis en évidence en 1859 à l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la navigation. Il vient...) le fait que 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...) Mercure - la plus proche du Soleil, et donc la plus fortement soumise à sa gravitation - exhibait un mouvement inexpliqué, en désaccord avec les lois de Kepler et de Newton. Einstein s'empare du problème et montre que 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 d'Einstein en...) générale explique exactement l'incohérence rapportée par Le Verrier.


Le Verrier, pour expliquer les anomalies dans l'orbite de Mercure, fit l'hypothèse d'une planète additionnelle, nommée Vulcain.
© Lithographie de E. Jones & G.W. Newman, 1846. - Library of Congress

Einstein, d'après ce qu'il a lui-même rapporté, "n'a pas pu travailler pendant trois jours à cause de [s]on excitation" suite à cette toute première vérification expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...) de sa nouvelle théorie, qui valide son travail acharné réalisé pendant la décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) qui précède. La mesure récente de l'équipe GRAVITY est la dernière vérification expérimentale de ce même effet, dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui...) très différent puisqu'il s'agit de l'orbite d'une étoile autour d'un trou noir et non de l'orbite d'une planète autour d'une étoile.

L'observation récente de GRAVITY

La relativité générale prédit le comportement de tous les astres, y compris celui de l'objet de prédilection de l'instrument GRAVITY - le trou noir (Le Trou noir (The Black Hole) est un film de science-fiction réalisé par Gary Nelson, produit par la Walt Disney Pictures et sorti en 1979. L'histoire est inspiré du...) de 4 millions de fois 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 la contribution du corps à la force de gravitation (la...) du Soleil qui se trouve 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.), Sagittarius A*.

L'étoile répondant au nom poétique de S2 est en orbite relativement proche autour de ce trou noir. Sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) a été déterminée par GRAVITY: c'est une rosace, correspondant au lent décalage d'une ellipse. Comme l'avait fait Einstein en 1915 avec Mercure, l'équipe GRAVITY a comparé le décalage de l'orbite de S2 à la valeur prédite par la relativité générale. L'accord est excellent, ce qui constitue un nouveau test de la théorie d'Einstein. Ce nouveau test est réalisé dans un contexte beaucoup plus "extrême" que celui de Mercure: l'astre observé est ici en orbite autour d'un trou noir, un objet lui-même prédit par la théorie de la relativité générale et qui constitue l'un des membres les plus exotiques du bestiaire astronomique standard. La validation de la théorie d'Einstein dans 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 les enjeux écologiques actuels, le terme...) d'un tel objet est donc particulièrement intéressante.

Au-delà de tester la validité des prédictions de la relativité générale, l'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 GRAVITY permet d'étudier l'environnement proche du trou noir ainsi que ses propriétés: sa masse et sa distance sont maintenant contraintes avec une grande précision. Une question importante est de déterminer si la masse centrale autour de laquelle S2 est en orbite est complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité...) concentrée dans l'objet Sagittarius A* lui-même, ou si une autre composante de masse, plus étendue, est également présente. Cette masse supplémentaire pourrait être présente sous forme de "matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) sombre" (composée de la fameuse matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment...), d'étoiles peu brillantes et d'une assemblée de petits trous noirs et d'étoiles à neutrons isolées) ou d'un compagnon trou noir qui serait lui-même en orbite autour de Sagittarius A*. Les observations récentes de l'équipe GRAVITY semblent pointer du doigt une concentration complète de la masse dans l'objet Sagittarius A* lui-même, mais des études plus approfondies sont nécessaires pour répondre à cette question complexe.

GRAVITY n'est pas le seul instrument à scruter les propriétés des abords des trous noirs. L'Event Horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie,...) Telescope a récemment publié une première image des abords d'un trou noir. Dans un autre registre, les détecteurs d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) gravitationnelles suivent l'évolution de trous noirs en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.). L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de ces nouvelles observations va permettre dans les prochaines décennies de tester de mieux en mieux la théorie d'Einstein, et, espérons-le, d'en découvrir la limite.
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