Des observations faites avec le Very Large Telescope de l'ESO ont pour la première fois révélé les effets prédits par la relativité générale d'Einstein sur le mouvement d'une étoile traversant le champ gravitationnel extrême près du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Ce résultat tant attendu représente le point culminant d'une campagne d'observation de 26 ans utilisant les télescopes de l'ESO au Chili.

Obscurcis par d'épais nuages ​​de poussière absorbante, le trou noir supermassif le plus proche de la Terre se trouve à 26 000 années-lumière au centre de la Voie lactée. Ce monstre gravitationnel, qui a une masse quatre millions de fois celle du Soleil, est entouré d'un petit groupe d'étoiles en orbite autour d'elle à grande vitesse. Cet environnement extrême - le champ gravitationnel le plus puissant de notre galaxie - en fait l'endroit idéal pour explorer la physique gravitationnelle, et en particulier pour tester la théorie de la relativité générale d'Einstein.

De nouvelles observations infrarouges de GRAVITY extrêmement sensible, Les instruments SINFONI et NACO du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO permettent désormais aux astronomes de suivre l'une de ces étoiles, appelé S2, en passant très près du trou noir en mai 2018. Au point le plus proche, cette étoile se trouvait à moins de 20 milliards de kilomètres du trou noir et se déplaçait à une vitesse supérieure à 25 millions de kilomètres par heure, soit près de trois pour cent. de la vitesse de la lumière.

L'équipe a comparé les mesures de position et de vitesse de GRAVITY et SINFONI respectivement, ainsi que des observations précédentes de S2 à l'aide d'autres instruments, avec les prédictions de la gravité newtonienne, la relativité générale et d'autres théories de la gravité. Les nouveaux résultats sont incompatibles avec les prédictions newtoniennes et en excellent accord avec les prédictions de la relativité générale.

Ces mesures extrêmement précises ont été réalisées par une équipe internationale dirigée par Reinhard Genzel du Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) à Garching, Allemagne, en collaboration avec des collaborateurs du monde entier, à l'Observatoire de Paris-PSL, l'Université Grenoble Alpes, CNRS, l'Institut Max Planck d'Astronomie, l'Université de Cologne, le CENTRA portugais – Centro de Astrofisica e Gravitação et l'ESO. Les observations sont l'aboutissement d'une série de 26 ans d'observations toujours plus précises du centre de la Voie lactée à l'aide des instruments de l'ESO.

"C'est la deuxième fois que nous observons le passage rapproché de S2 autour du trou noir dans notre centre galactique. Mais cette fois, grâce à une instrumentation bien améliorée, nous avons pu observer l'étoile avec une résolution sans précédent, " explique Genzel. " Cela fait plusieurs années que nous nous préparons intensément à cet événement, car nous voulions profiter au maximum de cette occasion unique d'observer des effets relativistes généraux."

Les nouvelles mesures révèlent clairement un effet appelé redshift gravitationnel. La lumière de l'étoile est étendue à des longueurs d'onde plus longues par le très fort champ gravitationnel du trou noir. Et le changement de la longueur d'onde de la lumière de S2 concorde précisément avec celui prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. C'est la première fois que cet écart par rapport aux prédictions de la théorie newtonienne plus simple de la gravité est observé dans le mouvement d'une étoile autour d'un trou noir supermassif.

L'équipe a utilisé SINFONI pour mesurer la vitesse de S2 vers et loin de la Terre et l'instrument GRAVITY dans l'interféromètre VLT (VLTI) pour effectuer des mesures extrêmement précises de la position changeante de S2 afin de définir la forme de son orbite. GRAVITY crée des images si nettes qu'elle peut révéler le mouvement de l'étoile de nuit en nuit lorsqu'elle passe près du trou noir, à 26 000 années-lumière de la Terre.

"Nos premières observations de S2 avec GRAVITY, il y a environ deux ans, déjà montré que nous aurions le laboratoire de trou noir idéal, " ajoute Frank Eisenhauer (MPE), Chercheur principal de GRAVITY et du spectrographe SINFONI. "Pendant le passage étroit, nous avons même pu détecter la faible lueur autour du trou noir sur la plupart des images, qui nous a permis de suivre précisément l'étoile sur son orbite, menant finalement à la détection du décalage vers le rouge gravitationnel dans le spectre de S2.

Plus de cent ans après avoir publié son article exposant les équations de la relativité générale, Einstein a eu raison une fois de plus, dans un laboratoire bien plus extrême qu'il n'aurait pu l'imaginer !

Françoise Delplancke, chef du département d'ingénierie système à l'ESO, explique la signification des observations :"Ici, dans le système solaire, nous ne pouvons tester les lois de la physique que maintenant et dans certaines circonstances. Il est donc très important en astronomie de vérifier également que ces lois sont toujours valables là où les champs gravitationnels sont beaucoup plus forts ."

Les observations continues devraient révéler très bientôt un autre effet relativiste :une petite rotation de l'orbite de l'étoile, connue sous le nom de précession de Schwarzschild, alors que S2 s'éloigne du trou noir.

Xavier Barcons, le directeur général de l'ESO, conclut :« L'ESO travaille avec Reinhard Genzel, son équipe et ses collaborateurs dans les États membres de l'ESO depuis plus d'un quart de siècle. C'était un énorme défi de développer les instruments particulièrement puissants nécessaires pour effectuer ces mesures très délicates et de les déployer à le VLT à Paranal. La découverte annoncée aujourd'hui est le résultat très excitant d'un partenariat remarquable.