« Einstein a raison, du moins pour l’instant », a déclaré Ghez, coauteur principal de la recherche. « Nous pouvons absolument exclure la loi de la gravité de Newton. Nos observations sont cohérentes avec la théorie de la relativité générale d’Einstein. Toutefois, cette théorie présente des faiblesses certaines. Elle ne peut pas expliquer complètement la gravité à l’intérieur d’un trou noir, et à un moment donné, nous devrons aller au-delà de la théorie d’Einstein vers une théorie plus complète de la gravité qui explique ce qu’est un trou noir. »
La théorie de la relativité générale d’Einstein de 1915 soutient que ce que nous percevons comme la force de gravité découle de la courbure de l’espace et du temps. Le scientifique a proposé que des objets tels que le soleil et la Terre modifient cette géométrie. La théorie d’Einstein est la meilleure description du fonctionnement de la gravité, a déclaré Ghez, dont l’équipe d’astronomes dirigée par l’UCLA a effectué des mesures directes du phénomène près d’un trou noir supermassif — une recherche que Ghez qualifie d' »astrophysique extrême ». »
Les lois de la physique, y compris la gravité, devraient être valables partout dans l’univers, a déclaré Ghez, qui a ajouté que son équipe de recherche est l’un des deux seuls groupes au monde à observer une étoile connue sous le nom de S0-2 effectuer une orbite complète en trois dimensions autour du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. L’orbite complète prend 16 ans, et la masse du trou noir est environ quatre millions de fois celle du soleil.
Les chercheurs affirment que leur travail est l’étude la plus détaillée jamais réalisée sur le trou noir supermassif et la théorie de la relativité générale d’Einstein.
Les données clés de la recherche étaient les spectres que l’équipe de Ghez a analysés en avril, mai et septembre derniers, alors que son « étoile préférée » s’approchait le plus près de l’énorme trou noir. Les spectres, que Ghez décrit comme « l’arc-en-ciel de lumière » des étoiles, montrent l’intensité de la lumière et offrent des informations importantes sur l’étoile d’où provient la lumière. Les spectres montrent également la composition de l’étoile. Ces données ont été combinées avec les mesures que Ghez et son équipe ont effectuées au cours des 24 dernières années.
Les spectres — recueillis à l’Observatoire W.M. Keck à Hawaï à l’aide d’un spectrographe construit à l’UCLA par une équipe dirigée par son collègue James Larkin — fournissent la troisième dimension, révélant le mouvement de l’étoile à un niveau de précision jamais atteint auparavant. (Les images de l’étoile prises par les chercheurs à l’observatoire Keck fournissent les deux autres dimensions). L’instrument de Larkin prend la lumière d’une étoile et la disperse, de manière similaire à la façon dont les gouttes de pluie dispersent la lumière du soleil pour créer un arc-en-ciel, a déclaré Ghez.
« Ce qui est si spécial à propos de S0-2, c’est que nous avons son orbite complète en trois dimensions », a déclaré Ghez, qui détient la chaire Lauren B. Leichtman et Arthur E. Levine en astrophysique. « C’est ce qui nous donne le ticket d’entrée pour les tests de la relativité générale. Nous avons demandé comment la gravité se comporte près d’un trou noir supermassif et si la théorie d’Einstein nous dit tout. Voir des étoiles parcourir leur orbite complète nous donne la première occasion de tester la physique fondamentale en utilisant les mouvements de ces étoiles. »
L’équipe de recherche de Ghez a pu voir le mélange de l’espace et du temps près du trou noir supermassif. « Dans la version de la gravité de Newton, l’espace et le temps sont séparés et ne se mélangent pas ; sous Einstein, ils se mélangent complètement près d’un trou noir », a-t-elle déclaré.
« Réaliser une mesure d’une telle importance fondamentale a nécessité des années d’observation patiente, permise par une technologie de pointe », a déclaré Richard Green, directeur de la division des sciences astronomiques de la National Science Foundation. Pendant plus de deux décennies, la division a soutenu Ghez, ainsi que plusieurs des éléments techniques essentiels à la découverte de l’équipe de recherche. « Grâce à leurs efforts rigoureux, Ghez et ses collaborateurs ont produit une validation de haute importance de l’idée d’Einstein sur la gravité forte. »
Le directeur de l’observatoire Keck, Hilton Lewis, a appelé Ghez « l’un de nos utilisateurs Keck les plus passionnés et tenaces. » « Ses dernières recherches révolutionnaires », a-t-il dit, « sont l’aboutissement d’un engagement inébranlable au cours des deux dernières décennies pour percer les mystères du trou noir supermassif au centre de notre galaxie Voie lactée. »
Les chercheurs ont étudié les photons — particules de lumière — alors qu’ils voyageaient de S0-2 vers la Terre. S0-2 se déplace autour du trou noir à des vitesses fulgurantes de plus de 16 millions de miles par heure à son approche la plus proche. Einstein avait signalé que dans cette région proche du trou noir, les photons doivent effectuer un travail supplémentaire. Leur longueur d’onde lorsqu’ils quittent l’étoile dépend non seulement de la vitesse de déplacement de l’étoile, mais aussi de la quantité d’énergie que les photons dépensent pour échapper au puissant champ gravitationnel du trou noir. À proximité d’un trou noir, la gravité est beaucoup plus forte que sur Terre.
Ghez a eu l’occasion de présenter des données partielles l’été dernier, mais a choisi de ne pas le faire afin que son équipe puisse d’abord analyser les données en profondeur. « Nous apprenons comment fonctionne la gravité. C’est l’une des quatre forces fondamentales et celle que nous avons le moins testée », a-t-elle déclaré. « Il y a de nombreuses régions où nous ne nous sommes tout simplement pas demandé comment la gravité fonctionne ici. Il est facile d’être trop confiant et il y a de nombreuses façons de mal interpréter les données, de nombreuses façons dont les petites erreurs peuvent s’accumuler en erreurs significatives, c’est pourquoi nous n’avons pas précipité notre analyse. »
Ghez, récipiendaire en 2008 de la bourse MacArthur « Genius », étudie plus de 3 000 étoiles qui gravitent autour du trou noir supermassif. Des centaines d’entre elles sont jeunes, dit-elle, dans une région où les astronomes ne s’attendaient pas à les voir.
Il faut 26 000 ans pour que les photons de S0-2 atteignent la Terre. « Nous sommes tellement excités, et nous nous préparons depuis des années à faire ces mesures », a déclaré Ghez, qui dirige le groupe du centre galactique de l’UCLA. « Pour nous, c’est viscéral, c’est maintenant – mais cela s’est réellement passé il y a 26 000 ans ! »
C’est le premier des nombreux tests de la relativité générale que l’équipe de recherche de Ghez effectuera sur les étoiles proches du trou noir supermassif. Parmi les étoiles qui l’intéressent le plus, il y a S0-102, qui a l’orbite la plus courte, mettant 11 ans et demi pour effectuer une orbite complète autour du trou noir. La plupart des étoiles étudiées par Ghez ont des orbites bien plus longues qu’une vie humaine.
L’équipe de Ghez a pris des mesures environ toutes les quatre nuits pendant des périodes cruciales en 2018 en utilisant l’observatoire Keck — qui se trouve au sommet du volcan Mauna Kea dormant d’Hawaï et abrite l’un des plus grands et premiers télescopes optiques et infrarouges du monde. Des mesures sont également effectuées à l’aide d’un télescope optique infrarouge à l’observatoire Gemini et au télescope Subaru, également à Hawaï. Elle et son équipe ont utilisé ces télescopes à la fois sur place à Hawaï et à distance depuis une salle d’observation du département de physique et d’astronomie de l’UCLA.
Les trous noirs ont une densité si élevée que rien ne peut échapper à leur attraction gravitationnelle, pas même la lumière. (On ne peut pas les voir directement, mais leur influence sur les étoiles proches est visible et fournit une signature. Une fois que quelque chose a franchi l' »horizon des événements » d’un trou noir, il ne peut plus s’échapper. Cependant, l’étoile S0-2 est encore assez loin de l’horizon des événements, même à son approche la plus proche, de sorte que ses photons ne sont pas aspirés.)
Les coauteurs de Ghez sont Tuan Do, auteur principal de l’article de Science, chercheur à l’UCLA et directeur adjoint du groupe du centre galactique de l’UCLA ; Aurélien Hees, ancien chercheur postdoctoral de l’UCLA, actuellement chercheur à l’Observatoire de Paris ; Mark Morris, professeur de physique et d’astronomie à l’UCLA ; Eric Becklin, professeur émérite de physique et d’astronomie à l’UCLA ; Smadar Naoz, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’UCLA ; Jessica Lu, une ancienne étudiante diplômée de l’UCLA qui est maintenant professeur adjoint d’astronomie à l’UC Berkeley ; Devin Chu, étudiant diplômé de l’UCLA ; Greg Martinez, scientifique du projet à l’UCLA ; Shoko Sakai, chercheur à l’UCLA ; Shogo Nishiyama, professeur associé à l’Université d’éducation de Miyagi au Japon ; et Rainer Schoedel, chercheur à l’Instituto de Astrofsica de Andalucia en Espagne.
La National Science Foundation a financé les recherches de Ghez au cours des 25 dernières années. Plus récemment, ses recherches ont également été soutenues par la Fondation W.M. Keck, la Fondation Gordon et Betty Moore et la Fondation Heising-Simons.