La Collaboration GRAVITÉ, une équipe de chercheurs de plusieurs instituts de renom dont l'Institut Max Planck, L'Observatoire LESIA de Paris et l'Observatoire Européen Austral, a récemment testé une partie du principe d'équivalence d'Einstein, à savoir l'invariance de position locale (LPI), près du trou noir supermassif du centre galactique. Leur étude, publié sur Physics Review Letters (PRL), ont étudié la dépendance de différentes transitions atomiques sur le potentiel gravitationnel afin de donner une limite supérieure aux violations de LPI.

"La relativité générale et en général toutes les théories métriques de la gravité sont basées sur l'équivalence de la masse inertielle et de la masse gravitationnelle, formalisé dans le principe d'équivalence d'Einstein, " Maryam Habibi, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "La relativité générale est la meilleure théorie de la gravité que nous ayons, cependant, il y a encore de nombreuses énigmes sans réponse qui sont étroitement liées à notre compréhension incomplète de la gravité."

Le principe d'équivalence, une partie cruciale de la théorie de la relativité générale d'Einstein, déclare que la force gravitationnelle ressentie dans n'importe quelle petite région de l'espace-temps est la même que la pseudo-force ressentie par un observateur dans un cadre de référence accéléré. Tester ce principe est d'une importance capitale, car cela pourrait conduire à des observations intéressantes et élargir notre compréhension actuelle de la gravité.

"Le principe d'équivalence d'Einstein se compose de trois principes principaux, " expliqua Habibi. " L'un d'eux, appelée invariance de position locale (LPI), stipule que les mesures non gravitationnelles doivent être indépendantes de l'emplacement dans l'espace-temps (caractérisé par le potentiel gravitationnel) où elles sont effectuées. La partie principale de notre étude se concentre sur le test du principe LPI."

Les observations passées suggèrent que la plupart, sinon tout, les galaxies massives contiennent un trou noir supermassif, qui est généralement situé au centre d'une galaxie. La masse du trou noir supermassif du centre galactique de la Voie lactée est 4 millions de fois supérieure à celle du soleil. Il génère ainsi le champ gravitationnel le plus puissant de la galaxie, ce qui en fait l'endroit idéal pour chasser des phénomènes inexplorés et tester les principes de la relativité générale.

Étoile S2, l'une des étoiles les plus brillantes de la région la plus intime de la Voie lactée, a sa rencontre la plus proche avec le trou noir supermassif du centre galactique à une distance de 16,3 heures-lumière. En d'autres termes, l'étoile met 16 ans pour faire une orbite complète autour du trou noir, qui dans les échelles de temps astronomiques est extrêmement courte. S2 entre et sort du champ gravitationnel du trou noir, l'équipe de collaboration GRAVITY a donc décidé de l'utiliser pour tester une partie du principe d'équivalence d'Einstein.

"Comme c'était prévu, et nous avons montré dans une étude précédente publiée en juin 2018, lors de l'approche la plus proche de l'étoile S2 du trou noir, nous observons le « redshift gravitationnel » à la lumière de l'étoile, " expliqua Habibi. " Le décalage vers le rouge gravitationnel se produit parce que la gravité intense à la surface de l'étoile ralentit la vibration des ondes lumineuses, en les étirant et en faisant apparaître l'étoile plus rouge que la normale depuis la Terre."

Pour tester le principe LPI d'Einstein, les chercheurs ont utilisé deux types d'atomes différents dans l'atmosphère stellaire de S2 :des atomes d'hydrogène et d'hélium. Le principe LPI stipule que le décalage vers le rouge gravitationnel observé dans une étoile qui entre et sort d'un fort champ gravitationnel ne dépend que du potentiel gravitationnel et ne dépend pas d'autres paramètres, comme la structure interne de l'atome.

"Nous avons mesuré le changement de fréquence de la lumière de ces atomes se déplaçant à travers un potentiel variable, " a déclaré Habibi. " La vibration des ondes lumineuses a été mesurée en ajustant la vitesse de la ligne de visée du spectre du S2 en utilisant séparément les raies spectrales de l'hydrogène et de l'hélium. En mesurant la différence de changement de fréquence pour les deux atomes, nous avons pu donner une limite supérieure à la violation du LPI pendant le passage du péricentre. S'il y avait une violation évidente de LPI, nous aurions dû mesurer des vibrations très différentes des ondes lumineuses, des lignes d'hélium et d'hydrogène."

Le principe d'équivalence et la relativité générale en général ne sont que des théories, ils doivent donc être testés afin de vérifier leur validité. Jusque là, la plupart des chercheurs ont effectué des tests sur Terre et dans le système solaire.

Cependant, ces théories devraient également être testées dans des scénarios extrêmes, car cela peut déterminer s'ils sont toujours valables et conduire à des preuves plus concluantes. De tels tests pourraient écarter certains des principes qui façonnent notre compréhension actuelle de la gravité ou identifier des violations de la théorie de la relativité générale.

"Il est important de tester le principe d'équivalence dans tous les différents régimes car plusieurs théories alternatives de la gravitation prédisent une violation de celui-ci dans des conditions extrêmes, " Félix Widmann, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Pour moi, la conclusion la plus significative de notre étude est que nous avons pu tester le principe d'équivalence dans ce cas le plus extrême :près d'un trou noir supermassif qui se trouve à plus de 20 000 années-lumière. Les limites que nous imposons à une violation ne sont pas très restrictif encore, mais ils sont dans un régime gravitationnel qui n'avait jamais été testé auparavant."

Habibi, Widmann et leurs collègues ont été parmi les premiers à tester une partie du principe d'équivalence près du trou noir supermassif central de la Voie lactée. Leurs travaux fournissent des informations précieuses sur la validité de la relativité générale, en particulier le principe LPI.

« L'année écoulée a été exceptionnellement fructueuse pour la collaboration GRAVITY, " dit Widmann. " Pour la première fois, nous avons observé des effets relativistes dans l'orbite d'une étoile autour d'un trou noir supermassif et avons utilisé cette étoile pour tester le principe d'équivalence. Nous avons également observé de la matière en orbite très proche du trou noir, une autre observation qui aurait été impossible sans GRAVITY. Cependant, c'est plus un début qu'une fin pour nous."

Avec la saison optimale pour l'observation du centre galactique juste au coin de la rue, les chercheurs de la collaboration GRAVITY continueront de pointer leurs télescopes vers S2 et le trou noir supermassif du centre galactique. Selon Widmann, l'équipe pourrait bientôt être en mesure de détecter des effets relativistes plus subtils dans l'orbite de S2, ce qui leur permettra de tester à nouveau la théorie de la relativité générale. Dans leurs futures observations, les chercheurs espèrent également qu'ils verront plus d'activité de flare autour du trou noir, car cela permettrait d'autres études visant à élargir leur compréhension du trou noir du centre galactique de la Voie lactée et des trous noirs en général.

"Avec les futurs télescopes comme l'Extremely Large Telescope, qui a un miroir de 39m de diamètre, nous pourrons effectuer des expériences similaires et rechercher des effets 1 million de fois plus petits d'éventuelles violations du LPI, par rapport à ce qui est possible aujourd'hui, " Widmann a ajouté. " Cela nous permettra de tester l'autre partie du principe d'équivalence d'Einstein, appelé principe d'équivalence faible, qui stipule qu'un objet en chute libre gravitationnelle est physiquement équivalent à un objet qui accélère avec la même force en l'absence de gravité. Le centre galactique est un observatoire unique et avec GRAVITY et les futurs télescopes, nous voulons en apprendre le plus possible."

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