Confirmation du redshift gravitationnel à proximité de Sgr A*

Un an après les européens et leur instrument GRAVITY monté sur le VLT, c'est au tour des américains d'observer le redshift gravitationnel à proximité de Sgr A*. L'équipe américaine à suivi de très près l'étoile S0-2, qui est passée à proximité du trou noir Sgr A* au printemps 2018 et est parvenue à observer ce redshift gravitationnel ainsi que le décalage Doppler relativiste dans la lumière de l'étoile. L'étude est publiée cette semaine dans Science.




La Relativité Générale prédit que la lumière qui est émise par un objet dans un fort champ gravitationnel, par exemple à proximité d'un trou noir, doit être décalée vers les plus grandes longueurs d'onde, on parle alors de redshift gravitationnel. 

S0-2 est l'une des étoiles qui passent au plus près de Sgr A*, elle a une orbite elliptique bien définie maintenant, qui a été mesurée avec une période de 16 ans seulement. Les astrophysiciens attendaient depuis une dizaine d'année le moment fatidique où l'étoile passerait à son péricentre, le point le plus proche du trou noir, au cours de son orbite elliptique. Ce moment a eu lieu en mai 2018. C'est le moment que Tuan Do (Université de Californie) et ses collaborateurs ont naturellement choisi pour accentuer leurs observations spectrométriques de S0-2 qu'ils suivaient déjà depuis des années. Les chercheurs ont exploité des données s'étalant entre 1995 et 2017 en plus de la période du passage au péricentre entre mars et septembre 2018. 

Au passage à son péricentre en mai 2018, S0-2 n'était qu'à 120 Unités Astronomiques (la distance Terre-Soleil) de Sgr A* et avait donc sa vitesse maximale, considérable, atteignant 2,7% de la vitesse de la lumière, une vitesse où les effets relativistes (au sens de la relativité restreinte) commencent à se faire sentir.  Cette distance est égale à 1400 fois le rayon de l'horizon du trou noir...

Tuan Do et ses collaborateurs ont détecté le redshift gravitationnel et le décalage Doppler relativiste (dû à la très grande vitesse de l'étoile) et ont utilisé pour le quantifier, un paramètre qu'ils nomment ϒ. Si le champ gravitationnel suit la loi de Newton, ϒ doit être égale à 0. Si le champ gravitationnel suit la loi d'Einstein, ϒ doit être égale à 1. Le résultat de Do et ses collaborateurs est ϒ = 0,88 ± 0,17. La collaboration européenne GRAVITY avait trouvé l'année dernière en utilisant la même mesure une valeur de 0,90 ± 0,09_stat ± 0,15_sys.
Ce nouveau résultat, complètement indépendant de la mesure de GRAVITY confirme donc la cohérence des observations avec la Relativité Générale dans le champ gravitationnel d'un trou noir, et exclue la loi de Newton avec une signifiance statistique de 5σ.

Il faut tout de même noter que l'accord avec la Relativité Générale n'a une signifiance statistique que 1σ, ce qui est faible. Des surprises pourraient donc peut-être apparaître dans les années qui viennent. Ce qui est sûr en revanche, c'est que Newton est définitivement hors jeu... 

Le prochain passage de S0-2 au péricentre est prévu en 2034. Il est raisonnable de penser que nous disposerons alors d'outils d'observation encore plus performants que le VLT et son optique adaptative ou le télescope Keck, de quoi affiner nos mesures du redshift gravitationnel sur S0-2. Mais avant ça, une autre étoile proche de Sgr A*, S62, qui passe, elle, 20 fois plus près de Sgr A* que S0-2, passera à son péricentre vers fin 2022 puis vers fin 2032. De nouvelles mesures sont donc attendues assez vite et devraient être encore plus impressionnantes...

Source

Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic Center supermassive black hole

Tuan Do et al.

Science Vol. 365, Issue 6454 ( (16 August 2019)

https://dx.doi.org/10.1126/science.aav8137

Illustrations

1) Trajectoires des étoiles parmi les plus proches de Sgr A* (qui se trouve au foyer des ellipses) (UCLA)

2) Déviation de la vitesse radiale de S0-2 mesurée par Do et al. en fonction du temps par rapport à ce qu'elle devrait être selon la loi de Newton, et comparaison avec ce que prédit la Relativité Générale (Do et al.).