La relativité générale d’Einstein testée avec succès près d’un trou noir

Albert Einstein a encore une fois raison: une prédiction de sa théorie de la relativité générale a été testée avec succès aux abords du trou noir super-massif situé au centre de la Voie lactée, notre galaxie.

Pour la première fois, des observations menées avec le VLT (Very Large Telescope) au Chili ont mis en évidence les effets de la relativité générale sur une étoile passant dans le champ gravitationnel intense de ce trou noir, a annoncé jeudi l’Observatoire européen austral (ESO).

« Nous avons vérifié une prédiction importante de la théorie de la relativité générale dans l’environnement d’un trou noir, qui est celle du rougissement gravitationnel », a déclaré à l’AFP Guy Perrin, l’un des « pères » de l’instrument Gravity qui a permis ce résultat, publié jeudi dans Astronomy & Astrophysics.

« Plus de 100 ans après son article posant les équations de la relativité générale, Einstein montre qu’il a une nouvelle fois raison, dans un laboratoire bien plus extrême que ce qu’il pouvait imaginer », relève l’ESO.

Un trou noir est un objet tellement dense qu’il empêche toute matière ou lumière de s’échapper. Il est qualifié de supermassif lorsque sa masse va de quelques millions à quelques milliards de masses solaires.

Le centre de notre galaxie abrite un de ces monstres invisibles, Sagittarius A*, situé à 26 000 années-lumière de la Terre. Sa masse est équivalente à 4 millions de fois celle du Soleil.

Il est entouré d’un amas d’étoiles qui atteignent des vitesses vertigineuses lorsqu’elles se rapprochent de lui.

S’appuyant sur Gravity et deux autres instruments du VLT, l’équipe internationale d’astronomes s’est intéressée à l’une de ces étoiles, S2, et l’a observée avant et après son passage au plus près de Sagittarius A* qui a eu lieu le 19 mai.

L’interféromètre Gravity, dont la conception a pris plus de dix ans, combine la lumière collectée par quatre télescopes du VLT européen installé dans le désert d’Atacama au Chili. Sa résolution est 15 fois supérieure à celle des plus grands télescopes optiques.

Une balle de tennis sur la Lune

Au travail depuis 2015, il avait déjà observé le passage de l’étoile S2 près du trou noir en 2016, « mais cette fois-ci, grâce à des améliorations instrumentales, nous avons pu observer l’étoile avec une précision sans précédent », souligne Reinhard Genzel, de l’Institut Max Planck pour la physique extraterrestre à Garching (Allemagne), l’autre père de Gravity.

La précision atteinte a été de 50 microsecondes d’angle, « soit l’angle sous lequel une balle de tennis posée sur la Lune serait vue depuis la Terre », selon le CNRS français.

Grâce à cette précision, le mouvement de S2 autour de Sagittarius A* a pu être détecté presque heure par heure.

Lorsque l’étoile est passée à 120 fois la distance Terre-Soleil du trou noir (moins de 20 milliards de kilomètres), sa vitesse orbitale a atteint 8 000 kilomètres/seconde, soit près de 3% de la vitesse de la lumière. Des conditions suffisamment extrêmes pour que l’étoile S2 subisse des effets importants liés à la relativité générale.

« Selon cette théorie, un corps massif attire la lumière (il courbe les rayons lumineux) ou ralentit le temps. C’est ce dernier effet qui conduit au rougissement aux abords de Sagittarius A* », explique Guy Perrin, qui est astronome à l’Observatoire de Paris-PSL.

« Lorsque l’étoile s’approche du trou noir, elle apparaît plus rouge qu’elle n’est en réalité » car il se produit un décalage de longueurs d’ondes vers le rouge, du fait de la très forte attraction gravitationnelle du trou noir », ajoute-t-il.

C’est la première fois que cet effet est mesuré de manière directe pour le champ gravitationnel intense d’un trou noir.

« Nos mesures sont totalement compatibles avec la théorie d’Einstein », dit Guy Perrin. En revanche la théorie classique de la gravitation de Newton, testée elle aussi par les astronomes, « ne colle pas avec nos mesures ».

Pour l’ESO, ces résultats sont « le point d’orgue de 26 ans d’observations » menées avec ses télescopes.

Le consortium Gravity est dirigé par l’institut Max Planck pour la physique extraterrestre et implique notamment le CNRS, l’Observatoire de Paris-PSL, l’Université de Grenoble-Alpes, le Centre portugais d’astrophysique CENTRA.