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Une étoile danse autour d'un trou noir exactement comme le prédisait Einstein

Impression artistique de l’étoile S2 passant à proximité du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée.

Impression artistique de l’étoile S2 passant à proximité du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée.

Photo : ESO/M. Kornmesser

Radio-Canada

Une étoile gravitant autour du trou noir supermassif situé au centre de la Voie lactée se déplace comme l'imaginait Albert Einstein dans sa théorie générale de la relativité.

Vue d’artiste illustrant la précession de l’orbite stellaire – l’effet est exagéré afin de permettre une meilleure visualisation.

Cette image artistique illustre l’orbite de l'étoile autour du trou noir. L’effet est exagéré afin de permettre une meilleure visualisation.

Photo : eso/l. calçada / ESO et L. Calçada

C’est la première fois que des observations révèlent l’accord parfait entre le mouvement d’une étoile en orbite autour du trou noir Sagittaire A* et les prévisions d’Einstein.

Ce sont des astrophysiciens de plusieurs institutions européennes qui sont parvenus à établir cette concordance en analysant les données recueillies par quelques instruments du très grand télescope de l'Observatoire européen austral qui observe le ciel à partir du désert d'Atacama, dans le nord du Chili.

Ce résultat est permis grâce à l'amélioration constante de la précision des mesures effectuées depuis 30 ans.

Comme une rosette

L’étoile étudiée dans ces travaux se nomme S2. Son orbite présente l’aspect d’une rosette, et non d’une ellipse comme le décrit la théorie de la gravitation de Newton. Cet effet, baptisé précession de Schwarzschild, n’avait encore jamais été mesuré pour une étoile en orbite autour d’un trou noir supermassif.

Cet effet avait été observé pour la première fois par l’orbite de la planète Mercure autour du Soleil, qui a constitué la toute première preuve de la validité de la théorie de la relativité générale.

Une centaine d’années plus tard, nous venons de déceler la même caractéristique au sein du mouvement d’une étoile en orbite autour de la source radio compacte Sagittaire A* située au centre de la Voie lactée.

Reinhard Genzel, directeur de l’Institut Max Planck

Ce résultat observationnel renforce l’idée selon laquelle Sagittaire A* constitue un trou noir supermassif, explique Reinhard Genzel.

Repères

  • Le centre de la Voie lactée est difficile à observer, mais il laisse percevoir dans certaines longueurs d’onde une activité intense.
  • Cette activité tire son origine de la présence du trou noir supermassif Sagittaire A*, autour duquel évoluent une douzaine d’étoiles supermassives et des nuages de gaz.
  • Sagittaire A* aurait environ 4 millions de fois la masse du Soleil. Il est situé à 26 000 années-lumière de la Terre.

Un laboratoire astronomique

Sagittaire A* et l’amas stellaire dense qui l’entoure offrent une perspective unique pour tester les lois de la physique dans des conditions de gravité extrêmes.

En 2018, la même équipe d’astrophysiciens a mis en évidence les effets de la relativité générale d’Einstein sur le mouvement de S2 passant dans le champ gravitationnel intense de Sagittaire A*.

Notre précédent résultat a montré que la lumière émise par l’étoile subit l’effet de la relativité générale. À présent, nous démontrons que l’étoile elle-même ressent les effets de la relativité générale.

Paulo Garcia, Centre d’astrophysique et de gravitation du Portugal

L’étoile S2 effectue un tour complet autour du trou noir en 16 années, parcourant une orbite particulièrement excentrique qui la rapproche de 20 milliards de kilomètres – ce qui correspond à 120 fois la distance entre la Terre et le Soleil.

Représentation artistique de matière orbitant autour d'un trou noir.

Il s’agit des observations les plus détaillées à ce jour de matière orbitant à une si grande proximité d’un trou noir.

Photo : ESO/Gravity/L.Calçada

Lorsqu’elle se trouve à une distance minimale du trou noir, l’étoile se déplace à une vitesse avoisinant 3 % de la vitesse de la lumière.

Après avoir suivi le déplacement de l’étoile sur son orbite durant plus de 25 ans, nos mesures précises ont mis en évidence la précession de Schwarzschild qui modifie la trajectoire de l’étoile S2 autour de Sagittaire A*.

Stefan Gilliessen, Institut Max Plank

Trou noir 101

  • Un trou noir est un objet céleste qui possède une masse extrêmement importante dans un volume très petit, comme si le Soleil ne faisait que quelques kilomètres de diamètre ou que la Terre était comprimée dans une tête d’épingle.
  • Les trous noirs créent une gravité si importante que même la lumière à proximité semble tomber dedans sans pouvoir s'en échapper.
  • Il existe plusieurs types de trous noirs, dont certains ne sont que théoriques. Les plus importants, les supermassifs, se trouvent au centre des galaxies. D’autres sont plus petits et naissent, par exemple, lorsqu’une étoile en fin de vie explose.

Le détail de cette étude est publié dans la revue Astronomy & Astrophysics (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

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