La théorie de la relativité générale (GR), proposée par Einstein il y a plus d’un siècle, reste l’un des postulats scientifiques les plus connus de tous les temps. Cette théorie, qui explique comment la courbure de l’espace-temps est altérée en présence d’objets massifs, reste la pierre angulaire de nos modèles cosmologiques les plus largement acceptés. Cela ne devrait pas surprendre puisque le GR a été vérifié neuf fois depuis dimanche et dans les conditions les plus extrêmes imaginables. En particulier, les scientifiques ont monté plusieurs campagnes d’observation pour tester GR en utilisant Sagittarius A* (Sgr A*), le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.
L’année dernière, l’Event Horizon Telescope (EHT), un consortium international d’astronomes et d’observatoires, a annoncé qu’il avait pris les premières images de Sag A*, deux ans seulement après la publication des toutes premières images d’un SMBH (M87 ). En 2014, les membres européens de l’EHT ont lancé une autre initiative connue sous le nom de BlackHoleCam pour mieux comprendre les SMBH en utilisant une combinaison d’imagerie radio, d’observations de pulsars, d’astrométrie et de GR. Dans un article récent, l’initiative BHC a décrit comment ils ont testé GR en observant des pulsars en orbite autour de Sgr A *.
Le consortium BlackHoleCam est composé de chercheurs du Max Planck Institute of Radio Astronomy (MPIFR), de l’Institute for Millimeter Radio Astronomy (IRAM), du Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA), du Jodrell Bank Center for Astrophysics de l’Université de Manchester. (JBCA), l’Institut de mathématiques, d’astrophysique et de physique des particules (IMAPP) de l’Université Radboud et l’Institut de physique théorique de l’Université Goethe. L’étude, dirigée par le chercheur postdoctoral Ralph P. Eatough du MPIFR, est disponible sur le arXiv serveur de pré-impression.
Comme ils l’indiquent dans leur article, les astronomes ont observé des systèmes d’étoiles à neutrons binaires pendant plus de quarante ans. Dans ces systèmes, où une étoile ou les deux sont des pulsars radio actifs, des tests de gravitation de précision ont été possibles. De même, un pulsar en orbite proche autour de Sgr A* serait le laboratoire idéal pour tester les prédictions faites par GR et des propriétés qui ne peuvent pas être mesurées autrement. Cela inclut le théorème sans cheveux, qui stipule que la matière qui a formé un trou noir formé est inaccessible, et la conjecture de censure cosmique (CCC), qui théorise sur la structure des singularités dans GR.
Au cours des dernières décennies, plusieurs chercheurs ont été faits pour des pulsars situés à environ 240 années-lumière (∼73 parsecs) du centre galactique (GC). En 2013, la population de pulsars dans cette zone a été portée à un total de six avec la détection du PSR J1745–2900 (un magnétar radio-émetteur) dans plusieurs longueurs d’onde. Les premières équipes à le faire se sont appuyées sur les observatoires Neil Gehreles Swift et NuSTAR pour détecter ses émissions de rayons gamma, tandis que deux autres équipes (dont une dirigée par Eatough) l’ont étudiée à l’aide de radiotélescopes. Des améliorations récentes dans les radiotélescopes et l’analyse des données ont trouvé des zones supplémentaires pour les recherches de pulsars GC.
Une technique consiste à rechercher des pulsars à des fréquences « supérieures à la normale » – plus de dix gigahertz (GHz) – et à des longueurs d’intégration plus longues. Cela réduit les effets de la dispersion et de la diffusion interstellaires, qui sont les plus élevées pour les objets au sein du GC. Malheureusement, cette approche s’accompagne d’un compromis, car ces recherches sont limitées par le spectre d’émission abrupt des pulsars, ce qui entraîne un rapport signal sur bruit plus élevé. Cela peut rendre les relevés de pulsars binaires au GC très difficiles, limitant les recherches aux pulsars isolés avec des spectres plus plats.
Heureusement, l’équipe BlackHoleCam et les membres du Consortium EHT visent à s’attaquer à ces contraintes en utilisant les télescopes les plus grands et les plus sensibles au monde (fonctionnant à des longueurs d’onde millimétriques). Cela comprend le Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), le Caltech Submillimeter Observatory (CSO), le Kitt Peak National Observatory (KPNO), le Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), le radiotélescope de 30 m de l’Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) et d’autres instruments qui forment l’épine dorsale de l’EHT.
À cet égard, la même technologie utilisée pour prendre la première image de Sgr A* sera utilisée pour repérer les pulsars binaires qui l’orbitent. Elle se résumera également à la même méthodologie : l’interférométrie à très longue base (VLBI). Il s’agit de plusieurs radiotélescopes travaillant ensemble et combinant des données pour créer des images à plus haute résolution. Jusqu’à présent, la plupart des recherches de pulsars se sont appuyées sur l’élément le plus sensible de l’EHT : l’ALMA « entièrement phasé ».
Mais Eatough et son équipe ont écrit que cela changerait avec la BlackHoleCam, « parce que l’imagerie EHT VLBI et les observations de pulsar peuvent utiliser le même produit de données brutes de chaque élément du réseau, les observations EHT VLBI et pulsar peuvent être commensales… À l’avenir, nous pouvons envisager d’utiliser un réseau phasé des plus grands composants de l’EHT pour augmenter encore la sensibilité ou pour atténuer la contamination par interférence spécifique au site. »
Comme toujours, les progrès de l’astronomie créent de nouvelles opportunités d’étude qui vont au-delà de la mission initiale. Conçu à l’origine pour imager les horizons des événements des trous noirs supermassifs (SMBH) au centre des galaxies, l’EHT a ouvert les portes à la recherche sur l’interférométrie de nouvelle génération. Dans les années à venir, la sensibilité inégalée offerte par ces réseaux pourrait tester les lois de la physique dans les conditions les plus extrêmes, offrant un nouvel aperçu des lois régissant l’univers.
Plus d’information:
Ralph P. Eatough et al, BlackHoleCam—Test de la relativité générale avec des pulsars en orbite autour du Sagittaire A*, arXiv (2023). DOI : 10.48550/arxiv.2306.01496