Une étoile tourne autour d'un trou noir et teste la gravité

Les astronomes ont vu la lumière d’une étoile rougir au passage du trou noir central de notre galaxie, comme le prédisait la relativité générale.

Les scientifiques ont Einstein exactement là où ils le souhaitent.

L'impression de cet artiste montre le chemin suivi par l'étoile S2 alors qu'elle se balançait par le trou noir supermassif au centre de la Voie Lactée. À mesure que l'étoile s'approchait du trou noir, sa lumière devait combattre l'immense champ de gravité du trou noir. La lumière a perdu de l'énergie au cours du processus, ce qui a légèrement déplacé la couleur de l'étoile vers le rouge (exagérée ici pour l'effet). La taille des objets n'est pas à l'échelle.
ESO / M. Kornmesser

Reinhard Genzel (Institut Max Planck de physique extraterrestre, Allemagne) et ses collègues ont annoncé aujourd’hui avoir détecté le décalage de la lumière d’une étoile provoqué par l’extrême gravité du trou noir au centre de notre galaxie. Ce changement, appelé redshift gravitationnel, est l’une des affirmations longtemps recherchées par le cadre de gravité principal d’Einstein, qui décrit correctement le fonctionnement de l’univers.

Comme je l'explique dans notre prochain numéro de septembre, environ trois douzaines d'étoiles brillantes se serrent très fort autour du trou noir supermassif du cœur de la Voie lactée. L’équipe de Genzel et la seconde dirigée par Andrea Ghez (Université de Californie à Los Angeles) observent ce groupe d’étoiles depuis plus de deux décennies, en utilisant les orbites des étoiles pour calculer la masse de l’invisible invisible qui se cache parmi elles. C'est ce travail qui nous donne notre estimation de la masse du trou noir: environ 4 millions de fois celle du Soleil, toutes contenues dans un rayon de 8% de la taille du trek de la Terre autour de notre étoile.

Le membre le plus brillant de cette troupe d'étoiles s'appelle S2. C'est une énorme étoile bleuâtre de type B vieille de 7 millions d'années qui pèse environ une douzaine de Suns réunis. Il termine son parcours autour du trou noir tous les 16 ans. Au cours de son approche la plus rapprochée, elle se rapproche du trou noir de toute autre étoile encore détectée: environ 120 au jour, soit quatre fois la distance du Soleil avec Neptune. Son dernier laissez-passer était plus tôt cette année en mai.

Le survol de S2 permet deux tests de relativité générale. Le premier est le redshift gravitationnel, dont la détection préliminaire est annoncée aujourd'hui. Dans la théorie de la relativité générale d'Einstein, la gravité est la géométrie. La masse et l'énergie créent des courbes dans le tissu de l'espace-temps, un peu comme les objets lorsqu'ils sont placés sur une feuille de caoutchouc tendue. Toute matière fait des creux - certains plus prononcés que d'autres - dans la feuille cosmique. Tout ce qui traverse la région déformée doit suivre les courbes du paysage espace-temps. Même la lumière doit suivre les détours de la gravité.

Au fur et à mesure que S2 atteignait le trou noir, il plongeait plus loin dans le puits large et profond créé par le trou noir dans la structure de l'espace-temps. Ses photons ont dû sortir du puits pour nous atteindre. Cette ascension leur a volé de l'énergie, les faisant passer à des longueurs d'onde plus longues et plus rouges.

Ce diagramme montre le mouvement de l'étoile S2 lorsqu'elle est passée près du trou noir, sur la base des données de l'interféromètre de gravité. À ce stade, l'étoile voyageait à près de 3% de la vitesse de la lumière.
Collaboration ESO / MPE / GRAVITY

Mais le changement est relativement petit comparé au changement plus prosaïque attendu de la gravité newtonienne. Dans le cadre de Newton, la lumière de S2 devrait également basculer vers le rouge en raison du mouvement spectaculaire de l'étoile le long de notre ligne de mire alors qu'elle tourne autour du trou noir. Le changement se traduit par un mouvement de plusieurs milliers de km / s. Le redshift relativiste, en revanche, n’ajoute que 200 km / s environ.

Pour voir ce redshift plus petit et attractif, les astronomes ont besoin que le mouvement orbital de l'étoile soit parfaitement figé. C’est difficile à faire lorsque votre cible se trouve à environ 26 000 années-lumière, voilée par des gaz poussiéreux et entourée d’autres boules de lumière floues. Les images du centre galactique ressemblent à un tissu psychédélique à pois dans lequel tous les points bougent.

De plus, les images ne nous donnent qu'une perspective plate. ils ne révèlent pas la troisième dimension. Cela provient des mesures du mouvement des étoiles le long de notre ligne de mire, ou vitesse radiale .

Il y a donc trois moments clés dans le virage vertigineux de S2 autour du trou noir, qui vous disent tous quelque chose sur le déroulement de la rencontre en 3D. On est lorsque le mouvement de l'étoile s'éloigne de nous le long de notre ligne de mire soudainement en flèche. Lorsque la vitesse radiale commence à chuter, le deuxième moment clé survient lorsque l'étoile se rapproche le plus du trou noir, comme le montrent les images «plates». Le troisième moment est celui où le mouvement de l'étoile cesse de plonger droit dans notre direction et commence à ralentir le long de notre ligne de mire. Les premier et deuxième moments ont eu lieu en mai; le troisième est estimé à venir en septembre.

À mi-chemin à travers le col

Les équipes de MPI et de UCLA ont amassé des observations pendant plus de 20 ans afin de leur donner ce dont elles ont besoin pour suivre le mouvement de S2 avec suffisamment de précision pour voir le redshift supplémentaire de la relativité générale. Dans le cadre de ce travail, Frank Eisenhauer (Institut Max Planck de physique extraterrestre) a mis au point un instrument interférométrique appelé Gravity.

Gravity combine les quatre télescopes de 8, 2 mètres du très grand télescope du Chili dans un seul et unique superscope, avec un diamètre équivalent à 130 mètres. Dans les longueurs d'onde proches de l'infrarouge, la résolution est multipliée par 10 par rapport à ce qui était auparavant possible, ce qui permet à l'équipe de surveiller les mouvements de S2 de nuit en nuit. L’opération est comparable à l’utilisation du VLT pour regarder un match de football sur la Lune et voir la trajectoire du ballon avec une précision de 6 centimètres, a déclaré Françoise Delplancke (ESO) lors d’une conférence de presse.

En combinant les données de Gravity avec des images et des mesures de vitesse radiale prises au cours de l'orbite de 16 ans de S2, l'équipe européenne a déclaré avoir détecté avec succès le blip supplémentaire. Ça ressemble à ça.


Collaboration GRAVITY / Astronomie et astrophysique 2018

La ligne plate est la prédiction de la gravité newtonienne; la bosse est la prédiction de la relativité générale. Lorsque Eisenhauer a montré une version de ce graphique lors de la conférence de presse, des applaudissements ont éclaté dans la salle.

Le jeu n'est pas encore terminé, cependant. Ce blip est aussi crédible que les données sous-jacentes sur lesquelles il repose. Pour être sûr, les astronomes ont besoin de la troisième partie du laissez-passer S2, qui commence maintenant à apparaître dans les données de vitesse radiale - en fait, lorsque j'ai parlé au téléphone de ce résultat avec Ghez ce matin, elle se dirigeait vers l'aéroport, à propos de voler à Hawai'i pour pointer un des télescopes Keck à S2.

«Je suis ravie pour eux», dit-elle sincèrement. «Je pense que Gravity est un instrument extraordinaire.» La beauté de deux équipes utilisant des instruments et des approches différents travaillant sur le même sujet, explique-t-elle, réside dans le fait que la combinaison de leurs résultats améliore la science. Mais elle veut vraiment voir ce qui se passe au dernier virage de la vitesse radiale avant d'évaluer ce que ses propres données lui disent.

Mais attendez, il y a plus

Les équipes utilisent S2 pour tester une seconde prédiction relativiste. En relativité générale, il n'y a pas d'orbites fermées. De la même manière que Mercure travaille autour du Soleil en dessinant les motifs de pochoir spirographiques cosmiques, il en va de même pour S2 en spirale autour de Sgr A *. Dans le cas de S2, la précession est d'environ 12 minutes d'arc par orbite.

Mesurer ce changement est extrêmement difficile. Mais les équipes devraient avoir les données pour les voir l’année prochaine. Si et quand l'une ou l'autre des équipes le voit, ce sera une autre victoire pour les astronomes. La gravité d'Einstein ne leur échappera pas maintenant.

Référence: Collaboration Gravity. "Détection du décalage vers le rouge gravitationnel dans l'orbite de l'étoile S2 près du trou noir massif du centre galactique." Astronomie et astrophysique. Juillet 2018.