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Gravity conforte l'existence d'un trou noir supermassif au cœur de la Voie lactée

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L'existence de véritables trous noirs - en particulier ceux décrits par la fameuse solution de Kerr lorsqu'ils sont en rotation - vient de recevoir une confirmation supplémentaire en observant, grâce à l'instrument Gravity de l'Eso, Sagittarius A*, notre trou noir supermassif galactique supposé. Cette confirmation semble solide, même si le dernier mot à ce sujet n'a pas encore été dit.

On attendait pour la fin de cette année la révélation d'une image associée au trou noir supermassif de la Voie lactée grâce à l'Event Horizon Telescope (EHT). Image en mesure de vérifier, ou non, la validité de la théorie de la relativité générale et ses conséquences, en particulier l'existence même des trous noirs avec un horizon des évènements. Mais il y a quelques semaines, l'astrophysicienne Sara Issaoun a révélé dans un article sur le site de l'Istituto nazionale di astrofisica italien, en abrégé Inaf, pour Institut national d'astrophysique, qu'il faudra attendre encore l'année 2019.

Toutefois, une équipe internationale de chercheurs européens menée par Reinhard Genzel - de l'Institut Max-Planck dédié à la Physique extraterrestre (MPE), de l'Observatoire de Paris, de l'Université Grenoble-Alpes, CNRS, de l'Institut Max-Planck dédié à l'Astronomie, de l'université de Cologne, du Centre d'astrophysique et de la gravitation (Centra) portugais, tous membres de l'ESO - vient de faire savoir qu'elle était déjà parvenue à un résultat spectaculaire. Ce résultat conforte l'existence des trous noirs et en particulier de ceux en rotation décrits par la fameuse métrique de Kerr (une découverte du mathématicien néo-zélandais Roy Kerr, en 1963) et qui fournissent les bases des explications de la nature des quasars.

Les chercheurs expliquent, dans un article disponible sur Astronomy & Astrophysics (A&A), qu'ils ont utilisé l'instrument Gravity équipant l'Interféromètre du Very Large Telescope (VLT) de l'ESO pour observer les émissions de rayonnement infrarouge polarisé en provenance du disque d'accrétion qui entoure Sagittarius A* au cœur de notre Galaxie. Rappelons que Gravity permet de combiner la lumière en provenance des quatre télescopes du VLT pour créer un télescope virtuel de 130 mètres de diamètre.

Le VLT et Gravity avaient déjà permis de faire passer des tests remarquables à la théorie de la relativité générale et à certaines théories alternatives de la gravitation relativiste, notamment en étudiant les mouvements rapprochés de certaines étoiles autour de Sagittarius A*. Tout dernièrement, c'est le décalage relativiste vers le rouge de la lumière émise par l'étoile S2 dans le champ de gravitation de Sagittarius A* - un objet dont on sait, sans l'ombre d'un doute, qu'il contient quatre millions de masses solaires environ - qui avait été mis en évidence avec Gravity, confortant la théorie d'Einstein.

Aujourd'hui, tout porte à croire que Gravity a observé des bouffées de rayonnement infrarouge provenant d'équivalents des éruptions solaires mais localisées au niveau de points chauds dans le plasma à hautes températures orbitant très près de l'horizon supposé du trou noir de Kerr, censé être la source radio Sagittarius A*. Or, si tel est bien le cas, ces points chauds se trouveraient dans de la matière se déplaçant à environ 30 % de la vitesse de la lumière, en environ 45 minutes, sur une orbite circulaire très proche de celle que les astrophysiciens relativistes appellent l'orbite circulaire stable la plus interne (Innermost stable circular orbit ou Isco). L'orbite circulaire relativiste stable la plus proche possible d'un trou noir en l'occurrence, et qui dépend de la valeur du moment cinétique du trou noir de Kerr en rotation en plus de sa masse. En deçà de cette orbite, c'est la chute vers le trou noir - une prédiction caractéristique de la relativité générale avec ce type d'astre compact - et que l'on ne retrouve pas dans la théorie de la gravitation de Newton.

Les caractéristiques de cette orbite et le rayonnement des points chauds ont été découverts en partie par sérendipité alors que les astrophysiciens étaient avant tout occupés à observer l'étoile S2 (en effet, l'existence de ces paquets de plasma et leur potentiel pour l'étude des trous noirs avaient déjà été étudiés théoriquement depuis des années par Avery Broderick, maintenant à l'Institut Perimeter de physique théorique et à l'Université de Waterloo au Canada, et Avi Loeb de l'Université Harvard). Cette découverte semble être en parfait accord avec des prédictions déduites de l'existence d'un trou noir avec un espace-temps décrit par la métrique de Kerr, solution des équations d’Einstein de la relativité générale. On peut en déduire la masse du trou noir Sagittarius A*, qui est d'ailleurs compatible avec celle déjà estimée, et en théorie, mais pas encore en pratique, la valeur de son moment cinétique de rotation (il faudra accumuler d'autres observations d'éruptions dans le disque d'accrétion autour du trou noir).

Il s'agirait donc, comme le soulignent avec insistance les auteurs de la découverte en conclusion de leur article, d'une confirmation de la validité de la théorie des trous noirs en plus de l'obtention des observations les plus précises à ce jour de la matière orbitant aussi près d'un trou noir. Ce résultat sera sans doute consolidé dans un futur proche aussi bien grâce à l'étude des ondes gravitationnelles que par les résultats attendus des observations de l'EHT, qui seront complémentaires de celles disponibles avec Gravity et que l'on va continuer à collecter. Inversement, ces observations pourraient nous montrer que la théorie de la relativité générale doit être remplacée par l'une des nombreuses théories proposées depuis des décennies, pour la prolonger et unifier les lois de la physique, et même que les trous noirs n'existent en fait pas, même si cela semble de plus en plus improbable.

Source : Futura Sciences