Des observations faites avec le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO ont révélé pour la première fois qu'une étoile en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée se déplace exactement comme le prédit la théorie de la relativité générale d'Einstein. Son orbite a la forme d'une rosette et non d'une ellipse comme le prédit la théorie de la gravité de Newton. Cet effet, connue sous le nom de précession de Schwarzschild, n'avait jamais été mesuré auparavant pour une étoile autour d'un trou noir supermassif. Cette vue d'artiste illustre la précession de l'orbite de l'étoile, avec l'effet exagéré pour une visualisation plus facile. Crédit :ESO/L. Calçada
Des observations faites avec le Very Large Telescope (VLT) de l'ESO ont révélé pour la première fois qu'une étoile en orbite autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée se déplace exactement comme le prédit la théorie de la relativité générale d'Einstein. Son orbite a la forme d'une rosette et non d'une ellipse comme le prédit la théorie de la gravité de Newton. Ce résultat tant attendu a été rendu possible par des mesures de plus en plus précises sur près de 30 ans, qui ont permis aux scientifiques de percer les mystères du mastodonte tapi au cœur de notre galaxie.
"La relativité générale d'Einstein prédit que les orbites liées d'un objet autour d'un autre ne sont pas fermées, comme dans la gravité newtonienne, mais précesse vers l'avant dans le plan de mouvement. Ce fameux effet, observé pour la première fois sur l'orbite de la planète Mercure autour du Soleil, a été la première preuve en faveur de la Relativité Générale. Cent ans plus tard, nous avons maintenant détecté le même effet dans le mouvement d'une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittarius A* au centre de la Voie lactée. Cette percée observationnelle renforce la preuve que le Sagittaire A* doit être un trou noir supermassif de 4 millions de fois la masse du Soleil, " dit Reinhard Genzel, Directeur à l'Institut Max Planck de Physique Extraterrestre (MPE) à Garching, L'Allemagne et l'architecte du programme de 30 ans qui a conduit à ce résultat.
Situé à 26 000 années-lumière du Soleil, Le Sagittaire A* et l'amas dense d'étoiles qui l'entoure constituent un laboratoire unique pour tester la physique dans un régime de gravité extrême et inexploré. Une de ces étoiles, S2, balaie vers le trou noir supermassif à une distance la plus proche inférieure à 20 milliards de kilomètres (cent vingt fois la distance entre le Soleil et la Terre), ce qui en fait l'une des étoiles les plus proches jamais trouvées en orbite autour du géant massif. À son approche la plus proche du trou noir, S2 fonce dans l'espace à près de 3% de la vitesse de la lumière, terminer une orbite une fois tous les 16 ans. "Après avoir suivi l'étoile sur son orbite pendant plus de deux décennies et demie, nos mesures exquises détectent de manière robuste la précession de Schwarzschild de S2 sur son chemin autour du Sagittaire A*, " dit Stefan Gillessen du MPE, qui a dirigé l'analyse des mesures publiées aujourd'hui dans la revue Astronomie &Astrophysique .
La plupart des étoiles et des planètes ont une orbite non circulaire et se rapprochent donc et s'éloignent de l'objet autour duquel elles tournent. l'orbite de S2 précesse, ce qui signifie que l'emplacement de son point le plus proche du trou noir supermassif change à chaque tour, telle que l'orbite suivante est tournée par rapport à la précédente, créant une forme de rosace. La relativité générale fournit une prédiction précise de combien son orbite change et les dernières mesures de cette recherche correspondent exactement à la théorie. Cet effet, connue sous le nom de précession de Schwarzschild, n'avait jamais été mesuré auparavant pour une étoile autour d'un trou noir supermassif.
L'étude avec le VLT de l'ESO aide également les scientifiques à en savoir plus sur le voisinage du trou noir supermassif au centre de notre galaxie. "Parce que les mesures S2 suivent si bien la relativité générale, nous pouvons fixer des limites strictes sur la quantité de matière invisible, tels que la matière noire distribuée ou d'éventuels trous noirs plus petits, est présent autour du Sagittaire A*. Ceci est d'un grand intérêt pour comprendre la formation et l'évolution des trous noirs supermassifs, " disent Guy Perrin et Karine Perraut, les scientifiques français principaux du projet.
Ce résultat est l'aboutissement de 27 années d'observations de l'étoile S2 en utilisant, pour la meilleure partie de ce temps, une flotte d'instruments au VLT de l'ESO, situé dans le désert d'Atacama au Chili. Le nombre de points de données marquant la position et la vitesse de l'étoile atteste de la rigueur et de la précision de la nouvelle recherche :l'équipe a effectué plus de 330 mesures au total, en utilisant la GRAVITÉ, Instruments SINFONI et NACO. Parce que S2 met des années pour orbiter autour du trou noir supermassif, il était crucial de suivre la star pendant près de trois décennies, pour démêler les subtilités de son mouvement orbital.
La recherche a été menée par une équipe internationale dirigée par Frank Eisenhauer du MPE avec des collaborateurs de France, Le Portugal, L'Allemagne et l'ESO. L'équipe constitue la collaboration GRAVITY, nommé d'après l'instrument qu'ils ont développé pour l'interféromètre VLT, qui combine la lumière des quatre télescopes VLT de 8 mètres dans un super-télescope (avec une résolution équivalente à celle d'un télescope de 130 mètres de diamètre). La même équipe a signalé en 2018 un autre effet prédit par la relativité générale :ils ont vu la lumière reçue de S2 s'étirer à des longueurs d'onde plus longues alors que l'étoile passait près du Sagittaire A*. "Notre résultat précédent a montré que la lumière émise par l'étoile expérimente la Relativité Générale. Maintenant, nous avons montré que l'étoile elle-même ressent les effets de la Relativité Générale, " dit Paulo Garcia, chercheur au Centre portugais d'astrophysique et de gravitation et l'un des principaux scientifiques du projet GRAVITY.
Gauche :Les points de données pour l'orbite de S2 autour de Sgr A* (croix noire à (0, 0)) ont été collectées par différents instruments avec le VLT sur 27 ans. Même si l'orbite de l'étoile semble presque fermée sur cette image, la petite précession de Schwarzschild est détectée de manière significative et correspond aux prédictions théoriques de la relativité générale. Cet effet est grandement exagéré dans la représentation artistique ci-dessus. La figure de droite montre que les positions de l'étoile (points turquoise) concordent avec les prédictions théoriques de la relativité générale (ligne rouge) dans l'inexactitude de mesure. La prédiction newtonienne (ligne pointillée bleue) est clairement exclue. Crédit :© MPE
Avec le prochain télescope extrêmement grand de l'ESO, l'équipe pense qu'elle pourrait voir des étoiles beaucoup plus faibles en orbite encore plus près du trou noir supermassif. « Si nous avons de la chance, nous pourrions capturer des étoiles suffisamment près pour qu'elles ressentent réellement la rotation, le tour, du trou noir, " dit Andreas Eckart de l'université de Cologne, un autre des scientifiques principaux du projet. Cela signifierait que les astronomes seraient capables de mesurer les deux quantités, rotation et masse, qui caractérisent le Sagittaire A* et définissent l'espace et le temps autour de lui. "Ce serait encore un niveau complètement différent de tester la relativité, " dit Eckart.
Cette recherche a été présentée dans l'article "Détection de la précession de Schwarzschild dans l'orbite de l'étoile S2 près du trou noir massif du centre galactique" à paraître dans Astronomie &Astrophysique .
