Les observations de 2017 du télescope Event Horizon (EHT) de M87*, un trou noir de 6,5 milliards de masse solaire au centre de la galaxie elliptique géante Messier 87, ont conduit à la première mesure de la taille de l’ombre d’un trou noir. En se basant sur l’analyse de l’ombre de M87*, les chercheurs de l’EHT ont réalisé un test unique de la relativité générale, approfondissant la compréhension des propriétés inhabituelles des trous noirs et écartant de nombreuses alternatives.
Visualisation de la nouvelle jauge développée pour tester les prédictions des théories de la gravité modifiée par rapport à la mesure de la taille de l’ombre de M87*. Crédit image : D. Psaltis, Université d’Arizona / Collaboration EHT.
Malgré son succès, la théorie d’Albert Einstein reste mathématiquement irréconciliable avec la mécanique quantique, la compréhension scientifique du monde subatomique.
Il est important de tester la relativité générale car la théorie ultime de l’Univers doit englober à la fois la gravité et la mécanique quantique.
“Nous nous attendons à ce qu’une théorie complète de la gravité soit différente de la relativité générale, mais il existe de nombreuses façons de la modifier”, a déclaré le professeur Dimitrios Psaltis, astrophysicien à l’Observatoire Steward et au Département d’astronomie de l’Université d’Arizona.
“Nous avons découvert que, quelle que soit la théorie correcte, elle ne peut pas être significativement différente de la relativité générale en ce qui concerne les trous noirs”.
“Nous avons vraiment réduit l’espace des modifications possibles.”
“C’est une toute nouvelle façon de tester la relativité générale en utilisant des trous noirs supermassifs”, a ajouté Keiichi Asada, chercheur à l’Institut d’astronomie et d’astrophysique Academia Sinica.
Pour réaliser ce test, l’équipe de l’EHT a utilisé la première image jamais prise du trou noir supermassif.
Les premiers résultats avaient montré que la taille de l’ombre du trou noir était conforme à la taille prédite par la relativité générale.
“A cette époque, nous n’étions pas en mesure de poser la question inverse : Dans quelle mesure une théorie de la gravité peut-elle être différente de la relativité générale et rester cohérente avec la taille de l’ombre ?”, a déclaré le Dr Pierre Christian, également de l’Observatoire Steward et du Département d’astronomie de l’Université d’Arizona.
“Nous nous sommes demandés s’il y avait quelque chose que nous pouvions faire avec ces observations afin d’éliminer certaines des alternatives”.
Des tests gravitationnels ont été menés dans une variété de contextes cosmiques. Lors de l’éclipse solaire de 1919, la première preuve de la relativité générale a été observée à partir du déplacement de la lumière des étoiles, voyageant le long de la courbure de l’espace-temps causée par la gravité du Soleil.
Plus récemment, des tests ont été effectués pour sonder la gravité en dehors du système solaire et à l’échelle cosmologique. La détection d’ondes gravitationnelles à l’observatoire LIGO en est un exemple.
“En utilisant la jauge que nous avons développée, nous avons montré que la taille mesurée de l’ombre du trou noir dans M87 resserre la marge de manœuvre pour les modifications de la théorie de la relativité générale d’Einstein de près d’un facteur 500, par rapport aux tests précédents dans le système solaire”, a déclaré le professeur Feryal Özel, également de l’Observatoire Steward et du département d’astronomie de l’Université d’Arizona.
“De nombreuses façons de modifier la relativité générale échouent à ce nouveau test plus serré de l’ombre des trous noirs”.
“Les images de trous noirs fournissent un angle complètement nouveau pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein”, a déclaré le Dr Michael Kramer, directeur de l’Institut Max Planck de radioastronomie.
“Avec les observations des ondes gravitationnelles, cela marque le début d’une nouvelle ère dans l’astrophysique des trous noirs”, a déclaré le professeur Psaltis.
“Ce n’est vraiment que le début. Nous avons maintenant montré qu’il est possible d’utiliser l’image d’un trou noir pour tester la théorie de la gravité”, a déclaré le Dr Lia Medeiros, chercheur à l’école des sciences naturelles de l’Institute for Advanced Study.
“Ce test sera encore plus puissant une fois que nous aurons imagé le trou noir au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée et dans les futures observations de l’EHT avec les télescopes supplémentaires qui sont ajoutés au réseau.”
La recherche a été publiée dans le journal Physical Review Letters.
