Test réussi de la théorie de la relativité d'Einstein à proximité d'un trou noir supermassif
Publié par Adrien le 27/07/2018 à 00:00
Source: ESO
Des observations effectuées au moyen du Very Large Telescope de l'ESO ont pour la toute première fois permis de mettre en évidence les effets, sur le mouvement d'une étoile, de l'intense champ gravitationnel généré par le trou noir supermassif situé 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 laquelle se situent le Système...). Cette confirmation longtemps attendue 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 d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale d'Einstein constitue le point (Graphie) d'orgue d'une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est caractérisée par une faible...) d'observations (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 appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) menée depuis 26 ans au moyen des télescopes de l'ESO au Chili.


Dissimulé derrière d'épais nuages de poussière absorbante, 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 roman Vingt mille lieues sous...) super-massif le plus proche de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes telluriques,...) se situe à quelque 26 000 années-lumière, au centre de la Voie Lactée. Ce monstre gravitationnel, doté d'une 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...) quatre millions de fois supérieure à celle du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...), est entouré d'un petit groupe d'étoiles orbitant à vitesse (On distingue :) élevée. Cet 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 environnement tend actuellement à prendre une...) extrême – le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) gravitationnel le plus intense 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.) – constitue le laboratoire de test idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de...) de 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...) gravitationnelle, en particulier de 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 basée sur l’observation ou...) 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...) d'Einstein.

De nouvelles observations effectuées dans le domaine infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) par les instruments de très grande sensibilité, GRAVITY (1), SINFONI et NACO installés sur le Very Large Telescope de l'ESO (VLT), ont permis aux astronomes de suivre, au cours du mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) de mai 2018, le mouvement de l'une de ces étoiles baptisée S2, alors qu'elle passait à très grande proximité 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 s’en échapper (à l'exception notable de la radiation...). A son point le plus proche, distant de moins de 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 1/299 792 458 seconde.) du trou noir, 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 proche de la Terre.) se déplaçait à plus de 25 millions de kilomètres par heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) – ce qui représente près de trois pour cent 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 phénomène...) (2).

L'équipe a comparé les mesures de position et de vitesse acquises par les instruments GRAVITY et SINFONI, et les observations antérieures de S2 effectuées au moyen d'autres instruments, aux prédictions de la théorie de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) de Newton, de la théorie de la relativité générale et d'autres théories de la gravitation. Les résultats nouvellement obtenus ne sont pas compatibles avec les prédictions newtoniennes. Ils sont en parfait accord en revanche avec les prédictions de la théorie de la relativité générale.

Ces mesures d'une précision extrême ont été effectuées par une équipe internationale pilotée par Reinhard Genzel 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...) Max Planck dédié à la Physique Extraterrestre (MPE) à Garching en Allemagne, en collaboration avec des chercheurs de 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...) – PSL, 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 (études...) Grenoble Alpes, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), de l'Institut Max Planck dédié à l'Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit...), de l'Université de Cologne, du Centre Portugais 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 propriétés des objets de l'univers...) et de la Gravitation (CENTRA) et de l'ESO. Les observations constituent le point d'orgue d'observations toujours plus précises du centre de la Voie Lactée menées durant 26 ans au moyen des instruments de l'ESO (3).

“C'est la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) fois que nous observons le passage de S2 à proximité directe du trou noir situé au centre de notre galaxie. Mais cette fois, grâce à une instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) nettement plus avancée, nous avons été en mesure d'observer l'étoile dans des détails beaucoup plus fins”, précise Reinhard Genzel. “Nous nous sommes pleinement préparés à la survenue de cet événement ces dernières années, avec l'idée d'utiliser cette opportunité unique pour observer les effets relativistes de la gravitation.”

Les nouvelles mesures mettent clairement en évidence un effet de décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce qui se traduit par un décalage...) d'origine gravitationnelle. La lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) émise par l'étoile est étirée 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...) par l'intense champ gravitationnel généré par le trou noir. Et la variation de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde de la lumière issue de S2 est en parfait accord avec celle déduite de la théorie de la relativité générale d'Einstein. C'est la toute première fois que cet écart aux prédictions de la théorie de la gravitation de Newton est observé dans le mouvement d'une étoile en 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.) 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 trou noir super-massif.

L'équipe a utilisé SINFONI pour déterminer la vitesse de S2 le long de la ligne de visée et l'instrument interférométrique GRAVITY pour effectuer des mesures extraordinairement précises de 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 S2 afin de définir les contours de son orbite. GRAVITY génère des images nettes qui traduisent le mouvement de l'étoile autour du trou noir au fil des nuits – à quelques 26 000 années-lumière de la Terre.

“Déjà, nos premières observations de S2 au moyen de GRAVITY effectuées deux années auparavant révélaient que nous disposions du laboratoire idéal pour l'étude du trou noir” ajoute Frank Eisenhauer (MPE), 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 méthodes scientifiques.) responsable de GRAVITY et du spectrographe SINFONI. “Au point le plus proche, nous pouvions même détecter, sur la plupart des clichés, la faible lueur autour du trou noir, ce qui nous a permis de précisément suivre le mouvement de l'étoile sur son orbite, puis de détecter le décalage vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) d'origine gravitationnelle dans le spectre de S2.”

Plus d'un 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...) après la publication de son article explicitant les équations de la relativité générale, Einstein voit sa théorie de nouveau confortée – après avoir été confrontée au laboratoire le plus extrême qui soit et qu'il ait pu imaginer !

Françoise Delplancke, à la tête du Département d'Ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une...) Système à l'ESO, explique toute l'importance de ces observations: “Au sein du Système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant...), nous ne pouvons que tester les lois de la physique à notre époque et dans des circonstances bien précises. Or, il est essentiel pour l'astronomie de tester également la validité de ces lois dans des environnements extrêmes, caractérisés par des champs gravitationnels nettement plus intenses.”

Les observations en cours sont susceptibles de prochainement révéler l'existence d'un autre effet relativiste – une petite rotation de l'orbite de l'étoile, ou 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 l'axe de rotation d'un...) de Schwarzschild – à mesure que S2 s'éloigne du trou noir.

Xavier Barcons, le Directeur Général de l'ESO, de conclure: “L'ESO a travaillé avec Reinhard Genzel et son équipe ainsi qu'avec des chercheurs issus d'autres Etats Membres de l'ESO durant près d'un quart de siècle. Concevoir des instruments suffisamment puissants pour effectuer ces mesures très précises puis les installer sur le VLT à Paranal, fut un challenge de taille. La découverte annoncée 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 minuit...) est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de...) d'un remarquable partenariat.”

Notes:

(1) Le développement de l'instrument GRAVITY résulte d'un partenariat entre l'Institut Max Planck pour  la Physique ExtratTerrestre (Allemagne), le LESIA à l'Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la...) – PSL / CNRS / Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne, collège dédié à la...) Université / Université Paris Diderot et l'IPAG à l'Université Grenoble Alpes / CNRS (France), l'Institut Max Planck pour l'Astronomie (Allemagne), l'Université de Cologne (Allemagne), le Centre d'Astrophysique et de la Gravitation (CENTRA, Portugal) et l'ESO.

(2) S2 effectue un tour complet autour du trou noir en 16 années, parcourant une orbite particulièrement excentrique qui la rapproche de 20 milliards de kilomètres – ce qui correspond à 120 fois la distance Terre – Soleil ou 4 fois la distance Soleil – Neptune – du trou noir. Cette distance équivaut à quelque 1500 rayons de Schwarzschild du trou noir lui-même.

(3) Les observations du centre de la Voie Lactée doivent être effectuées à des longueurs d'onde plus grandes (ici, dans le domaine infrarouge) parce que les nuages de poussière situés entre la Terre et les régions centrales absorbent fortement la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.).
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