Lorsque Albert Einstein a livré sa formulation finale de sa théorie relativiste de la gravitation à la fin de 1915, très peu de tests de sa théorie existaient et dans les quelques décennies qui allaient suivre, plusieurs des nouveaux phénomènes que la théorie de la relativité générale prédisait semblaient à tout jamais hors de portée des expérimentateurs, comme l'existence des ondes gravitationnelles, des trous noirs, des lentilles gravitationnelles et de l'effet Lense-Thirring.

On pouvait toutefois faire quelques mesures montrant des écarts à la loi de gravitation de Newton en réalisant des observations avec des éclipses de Soleil et en mesurant finement les mouvements des planètes dans le Système solaire. Cependant, pour aller plus loin, il fallait pouvoir faire des tests dans des champs de gravitation forts, comme ceux des étoiles à neutrons et à proximité de trous noirs géants dans les galaxies.

L'arrivée des télescopes géants et des techniques d'interférométrie, permettant de disposer d'instruments virtuels encore plus grands et en particulier avec ce qu'il était possible de faire avec le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral (ESO), allait constituer un changement important grâce notamment aux travaux de Pierre Léna, Antoine Labeyrie et François Roddier. Pierre Léna (célèbre pour son rôle avec l'éclipse du Concorde) a compté la saga des télescopes qui a conduit à ces techniques et aux révolutions qu'elles ont apportées dans son ouvrage Une histoire de flou : Miroirs, trous noirs et autres mondes.

Cette simulation figure les orbites d’un petit groupe d’étoiles situées à proximité du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Au cours de l’année 2018, l’une de ces étoiles, baptisée S2, passa tout près du trou noir et fut l’objet d’une intense campagne d’observations au moyen des télescopes de l’ESO. Son comportement fut conforme aux prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein – incompatible en revanche avec la théorie de la gravitation de Newton. © ESO, L. Calçada, spaceengine.org

Des étoiles qui foncent à quelques pourcents de la vitesse de la lumière

Les futurs prix Nobel de physique Reinhard Genzel et Andrea Ghez, avec leurs collaborateurs, vont en profiter pendant des décennies pour obtenir les déterminations des mouvements des étoiles S (S-stars), dont la plus célèbre est S2. Elles forment un amas stellaire autour de Sgr A*, la source radio associée au trou noir supermassif de la Voie lactée, et certaines des plus proches se déplacent à quelques pourcents de la vitesse de la lumière au périastre de leurs orbites autour de ce trou noir.

L'ESO fait maintenant savoir dans un communiqué que les astronomes ont finalement découvert, parmi les S-stars, l'étoile la plus rapide connue de notre Galaxie, grâce à l'interféromètre du Very Large Telescope (VLTI). Baptisée S301, elle atteint en effet au périastre une vitesse de 25 000 km/s (8 % de la vitesse de la lumière), s'approchant alors plus que n'importe quelle autre étoile observée jusqu'à présent du trou noir central (une distance équivalente à celle qui sépare Saturne du Soleil).

Cette série d’images, prises à l’aide de l’instrument Gravity installé sur l’interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l’ESO, montre plusieurs étoiles en orbite autour de Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de notre Galaxie. Ces étoiles sont collectivement appelées « étoiles S ». Les flèches sur ces images indiquent leur mouvement observé autour du trou noir. On a récemment découvert que l’une de ces étoiles, S301, passait beaucoup plus près du trou noir que les autres étoiles de type S. Son orbite est représentée ici par une courbe elliptique. Sur chaque image, la courbe continue montre la trajectoire que l’étoile a déjà parcourue jusqu’à cet instant, tandis que la courbe en pointillés indique la trajectoire qu’elle suivra par la suite. La taille de l'orbite de Neptune est indiquée pour donner l'échelle. © ESO, Gravity collaboration

Mais, comme l'explique dans le communiqué Reinhard Genzel, directeur de l'Institut Max-Planck de physique extraterrestre (MPE) à Garching, en Allemagne, l'important n'est pas là : « Des décennies d'observation minutieuse des étoiles en orbite autour du trou noir central de notre Galaxie, Sagittarius A*, ont conduit à cette découverte majeure d'une étoile très prometteuse. Comme elle orbite très près de Sagittarius A*, S301 ouvre une nouvelle fenêtre sur les propriétés fondamentales de l'espace-temps dans cet environnement extrême autour d'un trou noir ».

Bien sûr, comme l'explique aussi Felix Mang, doctorant au MPE et l'un des auteurs de l'étude publiée aujourd'hui dans la revue Nature (une version en accès libre existe sur arXiv) : « Ce qui rend cette étoile exceptionnelle, c'est qu'elle orbite autour de Sagittarius A* sur une trajectoire extrêmement resserrée. Elle ne met que 8,7 ans pour effectuer une révolution complète et s'approche du trou noir jusqu'à une distance équivalente à seulement douze fois la distance entre la Terre et le Soleil. Une telle proximité est sans précédent. »

Cette image montre la trajectoire de l’étoile S301 autour de Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au centre de notre Galaxie. Les losanges indiquent les mesures effectuées à l’aide de l’instrument Gravity, installé sur l’interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l’ESO. La taille de l’orbite de Neptune est indiquée à titre de référence avec celle de l'orbite de la Terre. S301 effectue une orbite autour de Sagittarius A* tous les huit ans. Au cours de ce mouvement, son orbite tourne progressivement sur elle-même, dessinant une rosette. Cet effet, connu sous le nom de précession de Schwarzschild, avait déjà été mesuré autour de Sagittarius A* ; il se produit indépendamment de la rotation du trou noir. Cependant, si le trou noir est en rotation, un autre effet entre en jeu. En tournant, le trou noir entraîne et déforme l’espace-temps qui l’entoure, un phénomène connu sous le nom d’effet de Lense-Thirring. L’étoile S301 s’approche si près du trou noir qu’elle pourrait être affectée par ce phénomène. La déformation de l’espace-temps autour du trou noir modifierait légèrement l’orbite de S301 à chaque passage rapproché. Au bout de plusieurs années, la différence entre les orbites prévues dans le cas d’un trou noir non rotatif et celles attendues pour un trou noir en rotation serait minime, de l’ordre de la taille de l’orbite de la Terre autour du Soleil, mais suffisamment importante pour être mesurée à l’aide du VLTI et de l’Extremely Large Telescope (ELT) de l’ESO, actuellement en construction. © ESO, Gravity Collaboration, L. Calçada

Un test de l'effet Lense-Thirring

Mais, il se trouve - et c'est le point central - que dans ces conditions il est possible à la noosphère de tester l'effet en champ de gravitation fort du trou noir supposé exister avec Sagittarius A*. Il s'agit non seulement de tenter de départager la théorie d'Einstein d'autres théories relativistes de la gravitation, mais surtout de tester l'idée que ce trou noir est en rotation est qu'il est donc bien décrit par la solution découverte par le mathématicien Roy Kerr pour ce genre de trou noir.

En effet, il doit alors se produire une modification des orbites prédites pour une étoile autour de ce genre de trou noir selon le fameux effet Lense-Thirring, lesquelles doivent différer des orbites avec un trou noir qui n'est pas en rotation.

Le communiqué de l'ESO se conclut par ces déclarations : « Grâce à cette étoile, nous espérons mesurer, d'ici dix ans, la rotation du trou noir », explique Felix Mang.

Stefan Gillessen, chercheur au MPE, qui a également joué un rôle de premier plan dans cette nouvelle étude, ajoute : « Pour la première fois, nous serions en mesure de mesurer de manière très directe la rotation d'un trou noir massif, ce qui constituerait un test décisif de la théorie d'Einstein. »

Juan Osorno, astronome au LIRA Observatoire de Paris–PSL, en France, qui a également joué un rôle clé dans cette étude, poursuit : « Sans cette étoile, il nous faudrait mesurer le mouvement d'autres étoiles pendant encore plusieurs décennies pour pouvoir espérer nous approcher de la mesure de la rotation du trou noir. »

Des astronomes ont découvert l'étoile la plus rapide jamais observée dans notre Galaxie, la Voie lactée, en orbite autour du trou noir situé en son centre. Baptisée S301, cette étoile a été détectée grâce à l'interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l'ESO et atteint des vitesses supérieures à 8 % de la vitesse de la lumière. Elle s'approche du trou noir plus que n'importe quelle autre étoile observée jusqu'à présent, à tel point qu'elle subit les effets de la rotation de ce dernier. Cette vidéo résume cette découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESO