Ce que le trou noir M87 et une éclipse de 1919 révèlent à propos d'Einstein

Ce que le trou noir M87 et une éclipse de 1919 révèlent à propos d'Einstein
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Il y a un siècle, l'astronome britannique Arthur Stanley Eddington et ses collègues ont photographié une éclipse de soleil et changé la façon dont l'humanité envisageait le ciel.

Ces photographies, prises le 29 mai 1919 à Sobral (Brésil) et à l’île de Príncipe, au large de la côte ouest de l’Afrique, confirment pour la première fois une prédiction essentielle de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein: Mass cends espace-temps. Les expéditions ont marqué une révolution dans la physique et ont fait d’Einstein une célébrité.

Aujourd'hui, les physiciens sont à nouveau à l'œuvre – à une échelle beaucoup plus grande. En avril, la collaboration EHT (Event Horizon Telescope) a publié le (SN: 27/04/19, p. 6). Cette image montre à nouveau que des objets massifs, tels que les trous noirs ou le soleil, peuvent modifier le trajet de la lumière, exactement comme l'avait prédit Einstein.

«L’EHT a fait exactement la même chose, mais dans l’exemple le plus extrême imaginable», déclare Lia Medeiros, physicienne et membre de l’équipe EHT de l’University of Arizona à Tucson. "Il est presque poétique que ces deux expériences se soient déroulées presque exactement à cent ans d'intervalle."

Jusqu'à présent, les nouvelles données sur les trous noirs ont confirmé la relativité générale. Mais les futures images EHT des bêtes gravitationnelles – en particulier celle située au centre de notre propre galaxie – pourraient potentiellement creuser des trous dans la célèbre théorie d’Einstein.

«Chaque fois qu'une théorie fonctionne de manière aussi spectaculaire, vous voulez simplement la pousser à l'extrême», a déclaré Michael Johnson, astrophysicien et membre de l'équipe EHT, du Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian. Et les trous noirs sont «un laboratoire des extrêmes – c’est là que nous pouvons pointer vers une nouvelle physique et des fissures dans nos théories existantes», dit-il.

Il y a cent ans, les scientifiques n’avaient pas de trou noir pour tester les fissures dans la relativité générale – les trous noirs étaient à l’époque – mais ils l’avaient toujours (SN en ligne: 4/12/19). À l'époque, la théorie prédominante de la gravité était newtonienne, selon laquelle la gravité est une force. Les forces peuvent accélérer les objets qui ont une masse, mais comme la lumière n’a pas de masse, la gravité ne devrait pas l’affecter. Mais quelques années plus tôt, en 1915, Einstein avait proposé sa théorie générale de la relativité, selon laquelle la gravité vient de la matière et de l’énergie déformant l’espace-temps, générant des courbes qui modifient le mouvement des objets ou même le trajet de la lumière elle-même.

Dans les photographies de l’éclipse d’Eddington et de ses collègues, des étoiles sont apparues, alors que leur lumière devait laisser passer le soleil pour atteindre les observateurs terrestres, qu’une nuit ordinaire (SN en ligne: 15/08/17). La gravité du soleil avait changé le chemin emprunté par la lumière des étoiles. Einstein avait raison.

De nos jours, l'idée que la gravité peut courber la lumière est si bien comprise que les physiciens l'utilisent pour sonder les propriétés de l'espace-temps lui-même. Avant que l’ESE ne commence à collecter des données en 2017, par exemple, les scientifiques avaient utilisé les équations d’Einstein pour se faire une idée précise de ce à quoi un trou noir devrait ressembler, si la théorie ne s’effondrait pas dans un environnement extrême.

Les trous noirs courbent l'espace-temps si fort que la lumière reste emprisonnée à l'intérieur. Les physiciens ne peuvent donc pas voir directement la lumière émise par le trou noir. Mais ils peuvent voir l’ombre du trou noir sur un matériau brillant autour de lui. En relativité générale, cette ombre devrait avoir une taille et une forme spécifiques: un cercle dont la largeur est directement liée à sa masse. "Tout cela vient des équations d'Einstein", dit Johnson. "Si vous avez une théorie différente de la gravité, vous pouvez prédire un anneau différent dans le ciel."

La première image d’EHT capturait le trou noir de la galaxie M87, à environ 55 millions d’années-lumière de la Terre, et donnait l’impression que les chercheurs l’avaient pensé. «Encore une fois, GR passe haut la main, à notre connaissance, à l'heure actuelle», déclare Johnson.

Télescope mondial

Pour prendre l’image du trou noir du M87, les astronomes ont relié des observatoires du monde entier pour réaliser le télescope Event Horizon, qui correspond à la taille de la Terre.

Le prochain vrai test théorique viendra lorsque l’équipe EHT aura photographié le trou noir situé au centre de la Voie lactée, appelé Sagittaire A *. «Si Sgr A * est à bien des égards un test plus fort pour la relativité, c'est que nous savons très précisément à quoi cet anneau devrait ressembler, si (la relativité générale) tient vraiment le coup», déclare Johnson.

Sgr A * est suffisamment proche, à environ 26 000 années-lumière de la Terre, pour que les astronomes puissent voir des étoiles fileter autour du trou noir. Cela donne aux chercheurs une estimation extrêmement précise de sa masse, et donc de la taille de son ombre à l’intérieur d’un anneau lumineux.

M87 est trop loin pour que les physiciens aient mesuré la masse de son trou noir précisément avant de prendre la photo. Les estimations de masse précédentes différaient par un facteur de deux et seule la (SN en ligne: 22/04/19). Mais cette incertitude de masse signifiait que la prédiction de la taille de l'anneau était beaucoup plus faible.

"Il y avait beaucoup de marge de manœuvre là-bas" pour M87, dit Johnson. "Pour Sgr A *, il n’ya presque pas de marge de manœuvre." Soit l’ombre de Sgr A * a une certaine largeur, soit la relativité générale est brisée.

Malheureusement, Sgr A * est un trou noir beaucoup plus difficile à photographier que M87. C’est environ un millième de la masse de M87. Pour la perspective, cela représente environ 4 millions de fois la masse du soleil par rapport à 6,5 milliards de fois pour M87. Cela signifie que la matière tourne autour de Sgr A * beaucoup plus rapidement, ce qui donne l'impression que le trou noir scintille et varie au cours d'une nuit d'observation.

Mais Medeiros et d’autres membres de l’équipe EHT travaillent sur des algorithmes informatiques pour contourner cette variabilité. Il faudrait beaucoup moins qu'un siècle pour comprendre ce que Sgr A * a à dire sur la relativité générale.

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