Des observations conduites avec le Very Large Telescope (VLT) de l’ESO ont pour la première fois montré les effets de la relativité générale, prédite par Einstein, sur le mouvement d’une étoile passant dans le champ gravitationnel intense de Sagittarius A*, le trou noir super-massif situé au centre de la Voie Lactée. Ce résultat obtenu par le consortium Gravity  dont fait partie l’Université Grenoble-Alpes sera  publié par la Collaboration Gravity le 27 juillet dans Astronomy & Astrophysics.

Le trou noir Sagittarius A* (Sgr A*) est situé, au cœur de notre galaxie, à 26 000 années-lumière de la Terre. D’une masse équivalente à quatre millions de fois celle du Soleil, ce trou noir est entouré d’un amas d’étoiles – les étoiles S – qui atteignent des vitesses vertigineuses lorsque, attirées par sa masse colossale,  elles accélèrent et s’en rapprochent.

La relativité générale élaborée  par Albert Einstein, décrit l’influence de la matière sur le mouvement des astres. Pour le cas de Sagittarius A , la théorie de la relativité  explique l’influence du trou noir sur les étoiles qui l’entourent. Les étoiles de Sgr A* constituent un laboratoire idéal pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein, celles-ci se trouvant dans le champ gravitationnel le plus intense de la Galaxie.

Trois instruments du VLT, NACO, SINFONI, et plus récemment Gravity, ont permis de suivre une étoile particulière du système de Sgr A*, nommée S2, avant et après son passage au plus près du trou noir, le 19 mai 2018. La précision 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. Avec cette précision, le mouvement de S2 a été détecté heure par heure au plus près du trou noir.

Lorsque S2 est passée à seulement 120 fois la distance Terre-Soleil de Sgr A*, sa vitesse orbitale a atteint 8 000 kilomètres par seconde soit 2,7 % de la vitesse de la lumière. Ces conditions sont suffisamment extrêmes pour que l’étoile S2 subisse les effets de la relativité générale.

Les mesures effectuées par NACO et SINFONI couplées à la précision de Gravity pour la position de S2 ont montré l’effet de rougissement gravitationnel prédit par Einstein. Ce rougissement affecte les sources lumineuses soumises à un champ de gravité, en l’occurence celui du trou noir. Ce phénomène se traduit par un décalage de longueur d’ondes vers le rouge. C’est la première fois que cet effet est mesuré pour le champ gravitationnel d’un trou noir.
Ces résultats, en parfait accord avec la théorie de la relativité générale sont une avancée majeure pour mieux comprendre les effets des champs gravitationnels intenses. La détection des changements de la trajectoire de l’astre sous l’effet de la gravité attendue dans quelques mois pourrait apporter des informations sur la distribution de masse autour du trou noir.

1 Gravity est un instrument de deuxième génération du VLTI, l’interféromètre du VLT. Son développement résulte d’une collaboration entre

– l’Institut Max Planck pour la physique extraterrestre (MPE, Garching, Allemagne)

– le Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (LESIA, Observatoire de ParisPSL/CNRS/Sorbonne Université/Université Paris Diderot)

– l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG, Université Grenoble Alpes/CNRS)

– l’Institut Max Planck pour l’astronomie (MPIA, Heidelberg, Allemagne)

– l’Université de Cologne (Allemagne)

– le Centre d’astrophysique et de gravitation (CENTRA, Lisbonne et Porto, Portugal)

– l’Observatoire Austral Européen (ESO, Garching, Allemagne)