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
La théorie de la relativité générale réussit une série de tests précis définis par une paire d’étoiles extrêmes.
Plus de 100 ans après qu’Albert Einstein a présenté sa théorie de la gravité, les scientifiques du monde entier poursuivent leurs efforts pour trouver des failles dans la relativité générale. L’observation de tout 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.
Le chef de l’équipe de recherche, Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne, déclare : . 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 meilleure qu’avec le prix Nobel Hulse-Taylor pulsar, et 1000 fois mieux que ce qui est actuellement possible avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Il explique que les observations ne sont pas seulement en accord avec la théorie, “mais nous avons également pu voir des effets qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant”.
Ingrid Stairs de l’Université de la Colombie-Britannique à Vancouver donne un exemple : « 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.
Danse des pulsars. Animation du système à double pulsar PSR J0737-3039 A/B et sa ligne de visée depuis la Terre. Le système – composé de deux pulsars radio actifs – est “de bord” vu de la Terre, ce qui signifie que l’inclinaison du plan orbital par rapport à notre ligne de mire n’est que d’environ 0,6 degré.
Ce laboratoire cosmique connu sous le nom de « Double Pulsar » a été découvert par les membres de l’équipe en 2003. Il se compose de deux pulsars radio qui tournent l’un autour de l’autre en seulement 147 min 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.
Dick Manchester de l’agence scientifique nationale australienne, CSIRO, illustre : « Un mouvement orbital aussi rapide d’objets compacts comme ceux-ci – ils sont environ 30 % plus massifs que le Soleil mais seulement d’environ 24 km de diamètre – nous permet de tester de nombreuses prédictions différentes de la relativité générale. — sept au total ! Outre les ondes gravitationnelles, notre précision nous permet de sonder les effets de la propagation de la lumière, tels que le « délai de Shapiro » et la courbure de la lumière. Nous mesurons également l’effet de la « dilatation du temps » qui ralentit les horloges dans les champs gravitationnels.
Il faut même prendre la fameuse 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.
La temporisation Shapiro. Animation de la mesure de la temporisation Shapiro dans le double pulsar. Lorsqu’un pulsar en rotation rapide orbite autour du centre de masse commun, les photons émis se propagent le long de l’espace-temps courbe du pulsar piégé et sont donc retardés.
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. Norbert Wex du MPIfR, un autre auteur principal de l’étude, explique : « 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 avec 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 membre de l’équipe Adam fDeller, de l’Université de Swinburne en Australie et responsable de cette partie de l’expérience, souligne : « 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. 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. »
«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 », explique Paulo Freire, également de MPIfR.
Michael Kramer conclut : « 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 expériences 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… »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Challenging Einstein’s Greatest Theory in 16-Year Experiment – Theory of General Relativity Tested With Extreme Stars.
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
