Situé à environ 25 000 années-lumière du Système solaire, dans la constellation du Sagittaire, le centre de la Voie Lactée abrite un trou noir massif de 4 millions de fois la masse du Soleil.
Le 17 mai 2016, l’instrument Gravity a été pointé pour la première fois sur le centre de notre Galaxie, pour observer l’étoile S2 en orbite autour du trou noir, avec une période orbitale de 16 ans.
La position et la masse de l’étoile S2 sont bien connues depuis 2002, date à laquelle sa première orbite avait pu être mesurée.
Depuis près de 16 ans, la trajectoire de l’étoile a dessiné une ellipse minuscule sur le ciel de seulement 0,2 seconde d’angle. Par comparaison, cette trajectoire décrite aurait la taille d’un stade de football vu sur la Lune, depuis la Terre.
Tandis qu’avec les instruments de la génération précédente, l’orbite avait pu être mesurée de façon suffisamment précise pour déterminer la masse du trou noir, tester la théorie de la relativité générale requérait de mesurer la position de l’étoile avec une précision d’un centimètre, dans ce même stade imaginaire sur la Lune.
Des tests à succès, obtenus à temps
De façon impressionnante, GRAVITY apporte la preuve qu’il dispose de toute la sensibilité nécessaire pour détecter des franges d’interférence sur cette étoile en quelques secondes de pose, établissant un record de plusieurs magnitudes pour l’interférométrie optique et ouvrant la voie à l’observation des effets de la relativité générale d’Einstein à l’œuvre autour des trous noirs.
Ni l’étoile cible, ni l’étoile de référence à proximité ne présentent de signes de binarité, une promesse pour les futures mesures qui auraient été sinon bien plus difficiles.
Ces tests avec GRAVITY étaient urgents parce que l’étoile S2 passera au plus près du trou noir en 2018, à un moment où les effets relativistes attendus sont les plus forts.
À ce moment-là, l’étoile s’approchera du trou noir à seulement 17 heures-lumière à une vitesse de près de 8 000 km/s, soit 2,5% de celle de la lumière. C’est mille fois plus rapide que la vitesse de la station spatiale internationale sur son orbite autour de la Terre.
La trajectoire elliptique de S2 verra son orientation changer en 2018 en raison des effets relativistes, tournant d’environ 0,2°. C’est un ordre de grandeur de plus que l’effet relativiste sur l’orbite de Mercure, la planète la plus proche du Soleil. La prochaine occasion d’observer ce passage près du trou noir ne se présentera pas avant 2033.
Ces premiers tests prometteurs signifient que l’équipe sera capable, dans un futur proche, d’obtenir des mesures de position ultra-précises de l’étoile en orbite et de tester si le mouvement de l’étoile autour du trou noir suit les lois de la relativité générale ou pas.
Fruit d’une collaboration entre les instituts Max Planck pour la Physique Extraterrestre (MPE) et d’Astronomie (MPIA) en Allemagne, l’Observatoire de Paris, à travers son Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique, l’IPAG de l’Université Grenoble Alpes/CNRS, l’Université de Cologne, le Centre Multi-disciplinaire d’Astrophysique de Lisbonne et Porto (SIM) et l’Observatoire Européen Austral (ESO), ce nouvel instrument GRAVITY, a été conçu spécifiquement pour cet objectif.
GRAVITY : le gain d’un facteur 15
Il s’agit d’un interféromètre, c’est-à-dire qu’il combine la lumière des quatre télescopes de 8 mètres du VLT au sommet du mont Paranal dans le désert d’Atacama au Chili.
Animation du chemin de la lumière à travers l’instrument GRAVITY par observatoiredeparis
Chaque télescope de 8 mètres est aussi en train d’être équipé d’un système d’Optique Adaptative Infrarouge pour foyer Coudé (CIAO) pour améliorer encore la sensibilité de GRAVITY pour les régions enfouies dans la poussière comme le Centre Galactique.
La recombinaison interférométrique de la lumière procure une résolution angulaire équivalente à celle d’un télescope de 130 mètres de diamètre.
Le gain correspondant en pouvoir de résolution et en précision est d’un facteur 15 par rapport à un télescope de 8 mètres. Cela est essentiel pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein au Centre Galactique.
Après avoir construit cette machine ultra-précise ces dix dernières années, l’équipe s’était trouvée face à deux questions essentielles : GRAVITY dispose-t-il de la sensibilité suffisante pour observer les faibles étoiles en orbite autour du Centre Galactique et ce "laboratoire" collaborera-t-il en fournissant de parfaites « particules-test » pour la mesure précise des effets prédits par la théorie de la relativité générale d’Einstein ?
A ces questions, les réponses préliminaires obtenues dépassent toutes les espérances. Elles constituent une étape cruciale pour le test de la relativité générale d’Einstein et montrent que le Centre Galactique répond bien aux attentes, en tant que laboratoire idéal pour ce type de recherches.