Plus de 100 ans après qu'Albert Einstein a publié sa théorie emblématique de la relativité générale, il commence à s'effilocher sur les bords, dit Andrea Ghez, Professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA. Maintenant, dans le test de relativité générale le plus complet près du trou noir monstrueux au centre de notre galaxie, Ghez et son équipe de recherche rapportent le 25 juillet dans la revue Science que soutient la théorie de la relativité générale d'Einstein.

"Einstein a raison, au moins pour l'instant, " dit Ghez, un co-auteur principal de la recherche. "Nous pouvons absolument exclure la loi de la gravité de Newton. Nos observations sont cohérentes avec la théorie de la relativité générale d'Einstein. Cependant, sa théorie montre définitivement la vulnérabilité. Il ne peut pas expliquer complètement la gravité à l'intérieur d'un trou noir, et à un moment donné, nous devrons aller au-delà de la théorie d'Einstein vers une théorie de la gravité plus complète qui explique ce qu'est un trou noir."

La théorie de la relativité générale d'Einstein de 1915 soutient que ce que nous percevons comme la force de gravité provient de la courbure de l'espace et du temps. Le scientifique a proposé que des objets tels que le soleil et la Terre modifient cette géométrie. La théorie d'Einstein est la meilleure description du fonctionnement de la gravité, dit Ghez, dont l'équipe d'astronomes dirigée par l'UCLA a effectué des mesures directes du phénomène à proximité d'un trou noir supermassif – la recherche que Ghez décrit comme « de l'astrophysique extrême ».

Les lois de la physique, y compris la gravité, devrait être valable partout dans l'univers, dit Ghez, qui a ajouté que son équipe de recherche est l'un des deux seuls groupes au monde à observer une étoile connue sous le nom de S0-2 faire une orbite complète en trois dimensions autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. L'orbite complète prend 16 ans, et la masse du trou noir est environ quatre millions de fois celle du soleil.

Les chercheurs disent que leur travail est l'étude la plus détaillée jamais menée sur le trou noir supermassif et la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Les données clés de la recherche étaient des spectres que l'équipe de Ghez a analysés en avril, En mai et septembre, alors que son "étoile préférée" s'approchait au plus près de l'énorme trou noir. Spectres, que Ghez a décrit comme "l'arc-en-ciel de lumière" des étoiles, montrer l'intensité de la lumière et offrir des informations importantes sur l'étoile à partir de laquelle la lumière voyage. Les spectres montrent également la composition de l'étoile. Ces données ont été combinées aux mesures que Ghez et son équipe ont effectuées au cours des 24 dernières années.

Spectres - collectés au W.M. L'observatoire Keck à Hawaï à l'aide d'un spectrographe construit à l'UCLA par une équipe dirigée par son collègue James Larkin - fournit la troisième dimension, révélant le mouvement de l'étoile à un niveau de précision jamais atteint auparavant. (Les images de l'étoile que les chercheurs ont prises à l'observatoire de Keck fournissent les deux autres dimensions.) L'instrument de Larkin prend la lumière d'une étoile et la disperse, semblable à la façon dont les gouttes de pluie dispersent la lumière du soleil pour créer un arc-en-ciel, dit Ghez.

"Ce qui est si spécial à propos de S0-2, c'est que nous avons son orbite complète en trois dimensions, " dit Ghez, titulaire de la chaire Lauren B. Leichtman et Arthur E. Levine en astrophysique. "C'est ce qui nous donne le ticket d'entrée dans les tests de relativité générale. Nous avons demandé comment la gravité se comporte près d'un trou noir supermassif et si la théorie d'Einstein nous dit toute l'histoire. Voir les étoiles parcourir leur orbite complète fournit la première opportunité de tester les fondamentaux physique en utilisant les mouvements de ces étoiles."

L'équipe de recherche de Ghez a pu voir le mélange de l'espace et du temps près du trou noir supermassif. "Dans la version de la gravité de Newton, l'espace et le temps sont séparés, et ne vous mélangez pas ; sous Einstein, ils se mélangent complètement près d'un trou noir, " elle a dit.

« Faire une mesure d'une importance aussi fondamentale a demandé des années d'observation patiente, grâce à une technologie de pointe, " a déclaré Richard Green, directeur de la division des sciences astronomiques de la National Science Foundation. Depuis plus de deux décennies, la division a soutenu Ghez, ainsi que plusieurs des éléments techniques essentiels à la découverte de l'équipe de recherche. « Par leurs efforts rigoureux, Ghez et ses collaborateurs ont produit une validation de grande importance de l'idée d'Einstein sur la forte gravité."

Le directeur de l'observatoire de Keck, Hilton Lewis, a qualifié Ghez de "l'un de nos utilisateurs de Keck les plus passionnés et les plus tenaces". "Ses dernières recherches révolutionnaires, " il a dit, "est l'aboutissement d'un engagement indéfectible au cours des deux dernières décennies pour percer les mystères du trou noir supermassif au centre de notre galaxie de la Voie lactée."

Les chercheurs ont étudié les photons - des particules de lumière - alors qu'ils voyageaient de S0-2 à la Terre. S0-2 se déplace autour du trou noir à des vitesses fulgurantes de plus de 16 millions de miles par heure à son approche la plus proche. Einstein avait rapporté que dans cette région proche du trou noir, les photons doivent faire un travail supplémentaire. Leur longueur d'onde lorsqu'ils quittent l'étoile ne dépend pas seulement de la vitesse à laquelle l'étoile se déplace, mais aussi sur la quantité d'énergie que les photons dépensent pour échapper au puissant champ gravitationnel du trou noir. Près d'un trou noir, la gravité est beaucoup plus forte que sur Terre.

Ghez a eu l'occasion de présenter des données partielles l'été dernier, mais a choisi de ne pas le faire afin que son équipe puisse d'abord analyser en profondeur les données. "Nous apprenons comment fonctionne la gravité. C'est l'une des quatre forces fondamentales et celle que nous avons le moins testée, " dit-elle. " Il y a beaucoup de régions où nous n'avons tout simplement pas demandé, comment fonctionne la gravité ici ? Il est facile d'être trop confiant et il existe de nombreuses façons de mal interpréter les données, de nombreuses façons dont les petites erreurs peuvent s'accumuler en erreurs importantes, c'est pourquoi nous n'avons pas précipité notre analyse."

Ghez, un récipiendaire 2008 de la bourse MacArthur "Genius", étudie plus de 3, 000 étoiles en orbite autour du trou noir supermassif. Des centaines d'entre eux sont jeunes, elle a dit, dans une région où les astronomes ne s'attendaient pas à les voir.

Il en faut 26, 000 ans pour que les photons de S0-2 atteignent la Terre. "Nous sommes tellement excités, et se préparent depuis des années à faire ces mesures, " dit Ghez, qui dirige le groupe UCLA Galactic Center. "Pour nous, c'est viscéral, c'est maintenant, mais c'est réellement arrivé le 26, il y a 000 ans !"

Il s'agit du premier de nombreux tests de relativité générale que l'équipe de recherche de Ghez effectuera sur des étoiles proches du trou noir supermassif. Parmi les étoiles qui l'intéressent le plus se trouve S0-102, qui a l'orbite la plus courte, prendre 11 1/2 ans pour compléter une orbite complète autour du trou noir. La plupart des étoiles étudiées par Ghez ont des orbites beaucoup plus longues que la durée de vie humaine.

L'équipe de Ghez a pris des mesures environ toutes les quatre nuits pendant les périodes cruciales de 2018 à l'aide de l'observatoire Keck, situé au sommet du volcan Mauna Kea en sommeil à Hawaï et abritant l'un des plus grands et des plus grands télescopes optiques et infrarouges au monde. Des mesures sont également prises avec un télescope optique-infrarouge à l'observatoire Gemini et au télescope Subaru, aussi à Hawaï. Elle et son équipe ont utilisé ces télescopes à la fois sur place à Hawaï et à distance depuis une salle d'observation du département de physique et d'astronomie de l'UCLA.

Les trous noirs ont une densité si élevée que rien ne peut échapper à leur attraction gravitationnelle, même pas de lumière. (Ils ne peuvent pas être vus directement, mais leur influence sur les étoiles proches est visible et fournit une signature. Une fois que quelque chose traverse "l'horizon des événements" d'un trou noir, il ne pourra pas s'échapper. Cependant, l'étoile S0-2 est encore assez éloignée de l'horizon des événements, même à son approche la plus proche, afin que ses photons ne soient pas attirés.)