Des chercheurs ont mené une expérience longue de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’équipe internationale a observé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars pour être précis – à l’aide de sept radiotélescopes répartis dans le monde entier. Crédit : Institut Max Planck de radioastronomie
Plus de cent ans se sont écoulés depuis qu’Einstein a formalisé sa théorie de la relativité générale (RG), la théorie géométrique de la gravitation qui a révolutionné notre compréhension de l’Univers. Et pourtant, les astronomes la soumettent encore à des tests rigoureux, dans l’espoir de trouver des déviations par rapport à cette théorie établie. La raison en est simple : toute indication de physique au-delà de la théorie de la gravitation ouvrirait de nouvelles fenêtres sur l’Univers et aiderait à résoudre certains des plus profonds mystères du cosmos.
L’un des tests les plus rigoureux jamais réalisés a récemment été mené par une équipe internationale d’astronomes dirigée par Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne. À l’aide de sept radiotélescopes du monde entier, Kramer et ses collègues ont observé une paire unique de pulsars pendant 16 ans. Au cours de ce processus, ils ont observé pour la première fois des effets prédits par la théorie de la gravité, et ce, avec une précision de l’ordre de 10 %. précision d’au moins 99,99% !
Outre les chercheurs du MPIfR, Kramer et ses associés ont été rejoints par des chercheurs d’institutions de dix pays différents – dont le Jodrell Bank Centre for Astrophysics (Royaume-Uni), le ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (Australie), le Perimeter Institute for Theoretical Physics (Canada), l’Observatoire de Paris (France), l’Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italie), le South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), l’Institut néerlandais de radioastronomie (ASTRON) et l’Observatoire d’Arecibo.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons à rotation rapide qui émettent des faisceaux étroits d’ondes radio. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA.
“Les pulsars radio sont une classe spéciale d’étoiles à neutrons en rotation rapide et fortement magnétisées. Ces objets super denses émettent de puissants faisceaux radio depuis leurs pôles qui, combinés à leur rotation rapide, créent un effet stroboscopique qui ressemble à un phare. Les astronomes sont fascinés par les pulsars car ils fournissent une mine d’informations sur la physique régissant les objets ultra-compacts, les champs magnétiques, le milieu interstellaire (ISM), la physique planétaire et même la cosmologie.
De plus, les forces gravitationnelles extrêmes impliquées permettent aux astronomes de tester les prédictions faites par les théories gravitationnelles telles que la théorie de la gravité et la théorie de l’espace. Dynamique newtonienne modifiée (MOND) dans certaines des conditions les plus extrêmes que l’on puisse imaginer. Pour les besoins de leur étude, Kramer et son équipe ont examiné PSR J0737-3039 A/B, le système du ” double pulsar ” situé à 2 400 années-lumière de la Terre dans la région de l’étoile du Soleil. constellation de Puppis.
Ce système est la seule radio pulsar binaire jamais observé et a été découvert en 2003 par les membres de l’équipe de recherche. Les deux pulsars qui composent ce système ont des rotations rapides – 44 fois par seconde (A), une fois toutes les 2,8 secondes (B) – et orbitent l’un autour de l’autre avec une période de seulement 147 minutes. Bien qu’elles soient environ 30 % plus massives que le Soleil, elles ne mesurent qu’environ 24 km de diamètre. D’où leur attraction gravitationnelle extrême et leurs champs magnétiques intenses.
En plus de ces propriétés, la période orbitale rapide de ce système en fait un laboratoire presque parfait pour tester les théories de la gravitation. Comme l’a dit le professeur Kramer dans un récent communiqué de presse du MPIfR :
“Nous avons étudié un système d’étoiles compactes qui constitue un laboratoire inégalé pour tester les théories de la gravitation en présence de champs gravitationnels très forts. A notre grande joie, nous avons pu tester une pierre angulaire de la théorie d’Einstein, l’énergie transportée par les étoiles compactes. ondes gravitationnelles, avec une précision 25 fois meilleure qu’avec le pulsar Hulse-Taylor, lauréat du prix Nobel, et 1000 fois meilleure que ce qui est actuellement possible avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.”
Impression d’artiste de la trajectoire de l’étoile S2 passant très près de Sagittarius A*, qui permet également aux astronomes de tester les prédictions faites par la relativité générale dans des conditions extrêmes. Crédit : ESO/M. Kornmesser
Sept radiotélescopes ont été utilisés pour la campagne d’observation de 16 ans, dont le radiotélescope de Parkes (Australie), le Green Bank Telescope (États-Unis), le radiotélescope de Nançay (France), le télescope de 100 m d’Effelsberg (Allemagne), le radiotélescope de Lovell (Royaume-Uni), le télescope de synthèse de WesterborkRadio Telescope (Pays-Bas), et le Very Long Baseline Array (États-Unis).
Ces observatoires ont couvert différentes parties du spectre radioélectrique, allant de 334 MHz et 700 MHz à 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz, et 2520 MHz. Ce faisant, ils ont pu voir comment les photons provenant de ce pulsar binaire étaient affectés par sa forte attraction gravitationnelle. Comme l’explique le professeur Ingrid Stairs, co-auteur de l’étude, de l’Université de Colombie-Britannique (UBC) à Vancouver :
“Nous suivons la propagation des photons radio émis par un phare cosmique, un pulsar, et nous suivons leur mouvement dans le fort champ gravitationnel d’un pulsar compagnon. Nous voyons pour la première fois que la lumière est non seulement retardée en raison d’une forte courbure de l’espace-temps autour du compagnon, mais aussi qu’elle 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 telle courbure de l’espace-temps.”
Comme l’a ajouté le co-auteur, le professeur Dick Manchester de l’Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) d’Australie, le mouvement orbital rapide d’objets compacts comme ceux-ci leur a permis de tester sept prédictions différentes de la RG. Celles-ci comprennent les ondes gravitationnelles, la propagation de la lumière (“retard de Shapiro et courbure de la lumière”), la dilatation du temps, l’équivalence masse-énergie (E=mc2), et l’effet du rayonnement électromagnétique sur le mouvement orbital du pulsar.
Le télescope Robert C. Byrd Green Bank (GBT) en Virginie occidentale. Crédit : GBO/AUI/NSF
“Ce rayonnement correspond à une perte de masse de 8 millions de tonnes par seconde !” a-t-il déclaré. “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 effectué des mesures extrêmement précises des changements d’orientation orbitale des pulsars, un effet relativiste qui a été observé pour la première fois avec l’orbite de Mercure – et l’un des mystères que la théorie de la RG d’Einstein a contribué à résoudre.
Seulement ici, l’effet était 140 000 fois plus fort, ce qui a conduit l’équipe à réaliser qu’elle devait également prendre en compte l’impact de la rotation du pulsar sur l’espace-temps environnant – alias l’effet Lense-Thirring, ou “frame-dragging”. Selon le Dr Norbert Wex du MPIfR, autre auteur principal de l’étude, cela a permis une autre percée :
“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 précis des rotations de l’étoile à neutrons, une technique que nous appelons la synchronisation du pulsar pour fournir des contraintes sur l’extension d’une étoile à neutrons.”
Un autre élément précieux de cette expérience est la façon dont l’équipe a combiné des techniques d’observation complémentaires pour obtenir des mesures de distance très précises. Des études similaires ont souvent été entravées par les estimations de distance mal contraintes dans le passé. En combinant la technique de synchronisation des pulsars avec des mesures interférométriques minutieuses (et les effets de l’ISM), l’équipe a obtenu un résultat à haute résolution de 2 400 années-lumière avec une marge d’erreur de 8 %.
Illustration d’artiste de deux étoiles à neutrons en fusion. Les faisceaux étroits représentent le sursaut gamma, tandis que la grille spatio-temporelle ondulée indique les ondes gravitationnelles isotropes qui caractérisent la fusion. Crédit : NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Au final, les résultats de l’équipe n’étaient pas seulement en accord avec la théorie des ondes gravitationnelles, mais ils ont également pu observer des effets qui n’avaient pas pu être étudiés auparavant. Comme l’a exprimé Paulo Freire, un autre co-auteur de l’étude (et également du MPIfR) :
“Nos résultats complètent bien 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 sur les pulsars, comme notre expérience de synchronisation avec le pulsar dans un système triple stellaire, qui a fourni un test indépendant (et superbe) de l’universalité de la chute libre.”
“Nous avons atteint un niveau de précision sans précédent”, a conclu le professeur Kramer. “Les expériences futures avec des télescopes encore plus grands peuvent et vont aller encore plus loin. Notre travail a montré la manière dont de telles expériences doivent être menées et quels effets subtils doivent maintenant être pris en compte. Et, peut-être, trouverons-nous un jour une déviation de la relativité générale.”
L’article qui décrit leurs recherches est récemment paru dans le journal Physical Review X,
Publié à l’origine sur UniversAujourd’hui.
Pour en savoir plus sur cette recherche :
Référence : “Strong-field Gravity Tests with the Double Pulsar” par M. Kramer et al, 13 décembre 2021, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050
