Les chercheurs ont mené une expérience de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’équipe internationale a regardé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars pour être précis – à travers sept radiotélescopes à travers le monde. Crédit : Institut Max Planck de radioastronomie
Des chercheurs de l’Université d’East Anglia et de l’Université de Manchester ont aidé à mener une expérience de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein.
L’équipe internationale a regardé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars pour être précis – à travers sept radiotélescopes à travers le monde.
Et ils les ont utilisés pour défier la théorie la plus célèbre d’Einstein avec certains des tests les plus rigoureux à ce jour.
L’étude, publiée aujourd’hui (13 décembre 2021) dans la revue Examen physique X, révèle de nouveaux effets relativistes qui, bien qu’attendus, sont maintenant observés pour la première fois.
Le Dr Robert Ferdman, de l’École de physique de l’UEA, a déclaré : « Aussi spectaculairement réussi que la théorie de la relativité générale d’Einstein s’est avérée, nous savons que ce n’est pas le dernier mot de la théorie gravitationnelle.
Les chercheurs ont mené une expérience de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’équipe internationale a regardé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars pour être précis – à travers sept radiotélescopes à travers le monde. Crédit : Institut Max Planck de radioastronomie
« Plus de 100 ans plus tard, les scientifiques du monde entier poursuivent leurs efforts pour trouver des failles dans sa théorie.
« La relativité générale n’est pas compatible avec les autres forces fondamentales, décrites par la mécanique quantique. Il est donc important de continuer à placer les tests les plus rigoureux possibles sur la relativité générale, pour découvrir comment et quand la théorie s’effondre.
« Trouver un écart par rapport à la relativité générale constituerait une découverte majeure qui ouvrirait une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà de notre compréhension théorique actuelle de l’Univers.
“Et cela peut nous aider à découvrir éventuellement une théorie unifiée des forces fondamentales de la nature.”
Dirigée par Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, en Allemagne, l’équipe internationale de chercheurs de dix pays a soumis la théorie d’Einstein aux tests les plus rigoureux à ce jour.
Le Dr Ferdman a déclaré : « Un pulsar est une étoile compacte rotative hautement magnétisée qui émet des faisceaux de rayonnement électromagnétique à partir de ses pôles magnétiques.
«Ils pèsent plus que notre soleil, mais ils ne mesurent qu’environ 15 miles de diamètre. Ce sont donc des objets incroyablement denses qui produisent des faisceaux radio qui balayent le ciel comme un phare.
« Nous avons étudié un double pulsar, qui a été découvert par les membres de l’équipe en 2003 et présente le laboratoire le plus précis dont nous disposons actuellement pour tester la théorie d’Einstein. Bien sûr, sa théorie a été conçue alors que ni ces types d’étoiles extrêmes, ni les techniques utilisées pour les étudier, ne pouvaient être imaginés.
Le double pulsar se compose de deux pulsars qui tournent l’un autour de l’autre en seulement 147 minutes avec des vitesses d’environ 1 million de km/h. Un pulsar tourne très vite, environ 44 fois par seconde. Le compagnon est jeune et a une période de rotation de 2,8 secondes. C’est leur mouvement autour de l’autre qui peut être utilisé comme un laboratoire de gravité presque parfait.
Sept radiotélescopes sensibles ont été utilisés pour observer ce double pulsar – en Australie, aux États-Unis, en France, en Allemagne, aux Pays-Bas et au Royaume-Uni (le radiotélescope Lovell).
Le professeur Kramer a déclaré : « Nous avons étudié un système d’étoiles compactes qui est un laboratoire sans égal pour tester les théories de la gravité en présence de champs gravitationnels très puissants.
« Pour notre plus grand plaisir, nous avons pu tester une pierre angulaire de la théorie d’Einstein, l’énergie transportée par ondes gravitationnelles, avec une précision 25 fois supérieure à celle du pulsar Hulse-Taylor, lauréat du prix Nobel, et 1000 fois supérieure à ce qu’il est actuellement possible avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.
Il a expliqué que les observations sont non seulement en accord avec la théorie, “mais nous avons également pu voir des effets qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant”.
Le professeur Benjamin Stappers, de l’Université de Manchester, a déclaré : « La découverte du système à double pulsar a été faite dans le cadre d’une enquête co-dirigée par l’Université de Manchester et nous a présenté le seul exemple connu de deux horloges cosmiques qui permettent mesure de la structure et de l’évolution d’un champ gravitationnel intense.
« Le télescope Lovell de l’observatoire de Jodrell Bank le surveille toutes les deux semaines depuis lors. Cette longue base d’observations fréquentes et de haute qualité a fourni un excellent ensemble de données à combiner avec celles des observatoires du monde entier.
Le professeur Ingrid Stairs de l’Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, a déclaré : « Nous suivons la propagation des photons radio émis par un phare cosmique, un pulsar, et suivons leur mouvement dans le fort champ gravitationnel d’un pulsar compagnon.
« Nous voyons pour la première fois comment la lumière est non seulement retardée en raison d’une forte courbure de l’espace-temps autour du compagnon, mais aussi que la lumière est déviée d’un petit angle de 0,04 degré que nous pouvons détecter. Jamais auparavant une telle expérience n’avait été menée à une courbure spatio-temporelle aussi élevée.
Le professeur Dick Manchester de l’agence scientifique nationale australienne, le CSIRO, a déclaré : relativité — sept au total !
« Outre les ondes gravitationnelles et la propagation de la lumière, notre précision nous permet également de mesurer l’effet de la « dilatation du temps » qui ralentit les horloges dans les champs gravitationnels.
« Nous devons même prendre la célèbre équation d’Einstein E = mc2 en compte lors de l’examen de l’effet du rayonnement électromagnétique émis par le pulsar à rotation rapide sur le mouvement orbital.
« Ce rayonnement correspond à une perte de masse de 8 millions de tonnes par seconde ! Bien que cela semble beaucoup, ce n’est qu’une infime fraction – 3 parties sur mille milliards de milliards (!) – de la masse du pulsar par seconde.
Les chercheurs ont également mesuré — avec une précision de 1 partie sur un million (!) — que l’orbite change d’orientation, un effet relativiste également bien connu de l’orbite de Mercure, mais ici 140 000 fois plus fort.
Ils se sont rendu compte qu’à ce niveau de précision, ils devaient également tenir compte de l’impact de la rotation du pulsar sur l’espace-temps environnant, qui est « entraîné » avec le pulsar en rotation.
Le Dr Norbert Wex du MPIfR, un autre auteur principal de l’étude, a déclaré : « Les physiciens appellent cela l’effet Lense-Thirring ou le glissement de trame. Dans notre expérience, cela signifie que nous devons considérer la structure interne d’un pulsar comme un étoile à neutrons.
“Par conséquent, nos mesures nous permettent pour la première fois d’utiliser le suivi de précision des rotations de l’étoile à neutrons, une technique que nous appelons la synchronisation des pulsars pour fournir des contraintes sur l’extension d’une étoile à neutrons.”
La technique de synchronisation du pulsar a été combinée à des mesures interférométriques minutieuses du système pour déterminer sa distance avec une imagerie à haute résolution, résultant en une valeur de 2400 années-lumière avec une marge d’erreur de seulement 8 %.
Le professeur Adam Deller, membre de l’équipe, de l’Université de Swinburne en Australie et responsable de cette partie de l’expérience, a déclaré : « C’est la combinaison de différentes techniques d’observation complémentaires qui ajoute à la valeur extrême de l’expérience. Dans le passé, des études similaires étaient souvent entravées par la connaissance limitée de la distance de tels systèmes.
Ce n’est pas le cas ici, où en plus de la synchronisation des pulsars et de l’interférométrie, les informations tirées des effets dus au milieu interstellaire ont également été soigneusement prises en compte.
Le professeur Bill Coles de l’Université de Californie à San Diego est d’accord : « Nous avons rassemblé toutes les informations possibles sur le système et nous en avons tiré une image parfaitement cohérente, impliquant la physique de nombreux domaines différents, tels que la physique nucléaire, la gravité, le milieu interstellaire, plasma physique et plus. C’est assez extraordinaire. »
Paulo Freire, également de MPIfR, a déclaré : « Nos résultats sont bien complémentaires à d’autres études expérimentales qui testent la gravité dans d’autres conditions ou voient des effets différents, comme les détecteurs d’ondes gravitationnelles ou le télescope Event Horizon.
“Ils complètent également d’autres expériences de pulsar, comme notre expérience de chronométrage avec le pulsar dans un système triple stellaire, qui a fourni un test indépendant et superbe de l’universalité de la chute libre.”
Le professeur Kramer a ajouté : « Nous avons atteint un niveau de précision sans précédent. Les futures expériences avec des télescopes encore plus grands peuvent aller encore plus loin.
« Nos travaux ont montré comment de telles expérimentations doivent être menées et quels effets subtils doivent désormais être pris en compte. Et, peut-être, trouverons-nous un jour un écart par rapport à la relativité générale. »
Référence : « Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar » par M. Kramer et al., 13 décembre 2021, Examen physique X.
DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.041050
