Une étoile décrit une rosace autour d’un trou noir, comme le prédit la relativité générale

Après avoir observé pendant 25 ans une étoile orbitant autour d’un trou noir, des scientifiques ont pu apporter la preuve qu’elle décrit non pas une ellipse, mais une rosace. Il s’agit cette fois encore de valider une partie de la théorie de la Relativité générale d’Albert Einstein.

Le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO (Observatoire européen austral), et plus particulièrement son instrument Gravity, a observé pour la « première fois […] l’accord parfait entre le mouvement d’une étoile en orbite autour du trou noir supermassif siégeant au cœur de la Voie Lactée et les prévisions de la théorie de la relativité générale d’Einstein ».

Cette découverte a fait l’objet d’une publication scientifique dans la revue Astronomy & Astrophysics. L’observatoire de Paris ne mache pas ses mots et parle d’un « résultat tant attendu » qui « offre aux astronomes la possibilité de percer le mystère du trou noir tapi au centre de notre Galaxie ».

On vous explique pourquoi c’est important et comment les scientifiques en sont arrivés là. 

Sagittarius A* et VLT, qui êtes-vous ? 

Sagittarius A* est un trou noir super-massif se trouvant au centre de notre Galaxie (la Voie lactée), dans la constellation du Sagittaire (d’où son nom, l'astérisque servant à désigner les trous noirs).

Sa masse correspond à plus de 4 millions de fois celle de notre Soleil, pour un rayon 17 fois plus grand « seulement ». Ce trou noir est entouré de plusieurs étoiles, formant un amas stellaire. Fort heureusement, il est situé à bonne distance de notre système solaire en général et de notre planète bleue en particulier : 26 000 années-lumière.

Pour mettre en perspective son imposante présence d’un côté et son éloignement de l’autre, le CNRS explique que sa « taille apparente dans le ciel est équivalente à celle de deux pièces d’un euro posées sur la Lune ». Pour l’observer, il n’y a donc qu’une seule solution pour le moment : il faut passer par un télescope de grande taille.

D’où l’utilisation du Very Large Telescope (VLT), géré par l’Observatoire Européen Austral (ESO), qui se présente comme « la première organisation intergouvernementale pour l’astronomie en Europe et l’observatoire astronomique le plus productif au monde ».  Dans le détail, Le VLT se compose de quatre télescopes principaux avec des miroirs primaires de 8,2 mètres de diamètre et quatre autres télescopes auxiliaires avec des miroirs de 1,8 mètre.

Combinés, ils forment un interféromètre d'une résolution équivalente à celle d'un télescope de 130 mètres de diamètre pour « discerner des détails avec une précision jusqu'à 25x plus importante qu'avec les télescopes utilisés séparément ».

Dans l’espace, l’étoile S2 décrit une rosace et pas une ellipse

Les scientifiques se sont intéressés de près au cas d’une étoile gravitant autour de Sagittarius À* : S2. Elle orbite autour du trou noir en 16 ans et passe au plus près à 20 milliards de kilomètres seulement – 120 fois la distance entre le Soleil et la Terre –, ce qui en fait une des étoiles passant au plus proche d’un « monstre céleste » comme ce trou noir super-massif.

Lorsqu’elle s’approche de Sagittarius A*, sa vitesse augmente pour atteindre jusqu’à près de 3 % de celle de la lumière, soit près de 9 000 km/s ou 32 400 000 km/h, puis elle diminue pendant le reste de l’ellipse, pour accélérer de nouveau, etc. À titre de comparaison, l’objet le plus rapide actuellement construit par l’Homme dans l’espace est la sonde Parker qui a atteint les 400 000 km/h en février dernier.

On apprend également que « son orbite présente l’aspect d’une rosace et non d’une ellipse ». Une avancée majeure puisque cela confirme la théorie de la Relativité générale d’Einstein qui « prévoit que les orbites liées d’un objet autour d’un autre ne sont pas fermées […] mais précessent vers l’avant dans le plan du mouvement », contrairement à ce qu’indique la théorie de la Gravitation newtonienne. Cet effet est baptisé « précession de Schwarzschild » que la vidéo ci-dessus met en images :

Pour arriver à ce résultat, les scientifiques ont suivi le déplacement de l’orbite de l’étoile S2 pendant plus de 25 ans. « La théorie de la Relativité générale permet de déterminer avec précision l’amplitude de ce changement, qui s’avère être en parfait accord avec les dernières mesures effectuées à partir des observations », ajoute l’ESO.

Guy Perrin et Karine Perraut, les scientifiques français responsables du projet ajoutent que « les mesures effectuées sur S2 sont en accord si parfait avec la théorie de la Relativité générale que nous pouvons estimer la quantité de matière invisible, telle la distribution de matière noire ou l’éventuelle présence de trous noirs de taille inférieure, autour de Sagittarius A* ». 

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Ce n’est pas la première fois qu’un tel effet est observé, comme le rappelle Reinhard Genzel, directeur de l’Institut Max Planck dédié à la physique extraterrestre. Ce mouvement décrit déjà l’orbite de la planète Mercure autour du Soleil, ce qui « constitua la toute première preuve de la validité de la théorie de la Relativité générale ». Dans le cas présent, c’est autour d’un trou noir (super-massif), une première.

Les précédentes confirmations de la relativité générale

C’est la seconde publication scientifique de cette équipe confirmant des morceaux de la Relativité générale. En 2018, leurs observations avaient déjà permis de confirmer que la lumière en provenance de l’étoile S2 s’étirait vers de plus grandes longueurs d’onde à mesure que l’étoile s’approchait de Sagittarius A*.

Non seulement la lumière émise par l’étoile subit l’effet prédit par la théorie de la Relativité générale, mais c’est aussi le cas de l’étoile elle-même, explique Paulo Garcia, chercheur au Centre d’astrophysique et de gravitation du Portugal, qui est l'un des responsables scientifiques du projet.

Il y a déjà quatre ans par exemple, des chercheurs de Virgo à Pise et LIGO aux États-Unis avaient pour la première fois pu observer des ondes gravitationnelles, confirmant là aussi une prédiction de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein.  Des chercheurs s’attellent aussi à essayer de trouver des failles – ou confirmer avec plus de précision – certains pans de cette théorie, c’est notamment le cas de la mission Microscope.

Pour le moment, elle a confirmé avec une précision « inégalée » (2x10^-14, soit 14 chiffres après la virgule) le principe d'équivalence de la chute libre.

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D’autres analyses à venir

L’équipe du VLT ne compte pas en rester là, comme l’indique un autre responsable scientifique du projet (Andreas Eckart de l’Université de Cologne) : « Si nous sommes chanceux, nous devrions être capables de détecter la présence d’étoiles suffisamment proches du trou noir pour ressentir les effets de sa rotation ».

Les astronomes seraient alors en mesure de déterminer deux quantités – spin et masse – du trou noir Sagittarius A* et ainsi « de définir l’espace et le temps qui l‘environnent », ajoute l’ESA. « Cela constituerait un test complètement différent de la théorie de la Relativité générale », affirme enfin Andreas Eckart, mais nous n’y sommes pas encore.