Une équipe internationale d’astronomes a trouvé de nouvelles preuves de la précession de Lense-Thirring – un effet de traînée relativiste – après avoir suivi le système binaire pulsar-naine blanche PSR J1141-6545 pendant presque deux décennies.
Représentation artistique d’une étoile à neutrons en rotation rapide et d’une naine blanche entraînant le tissu de l’espace-temps autour de son orbite. Crédit image : Mark Myers, Centre d’excellence ARC OzGrav.
Lorsqu’un objet massif tourne, la relativité générale prévoit qu’il entraîne l’espace-temps autour de lui, un phénomène connu sous le nom d’entraînement du cadre.
Ce phénomène provoque la précession du mouvement orbital des objets gravitationnellement liés.
Bien que le frame-dragging ait été détecté par des expériences par satellite dans le champ gravitationnel de la Terre en rotation, son effet est extrêmement faible et difficile à mesurer.
Des objets plus massifs, tels que les naines blanches ou les étoiles à neutrons, offrent une meilleure opportunité d’observer le phénomène dans des champs gravitationnels beaucoup plus intenses.
Norbert Wex, chercheur à l’Institut Max Planck de radioastronomie, a déclaré : ” L’une des premières confirmations de l’effet d’entraînement du cadre a utilisé quatre gyroscopes dans un satellite en orbite autour de la Terre, mais dans notre système, les effets sont 100 millions de fois plus forts “.
Wex, Vivek Venkatraman Krishnan, également de l’Institut Max Planck de radioastronomie, et leurs collègues ont utilisé le radiotélescope Parkes de 64 m du CSIRO pour observer PSR J1141-6545, un jeune pulsar en orbite binaire avec une naine blanche.
Les scientifiques ont mesuré les temps d’arrivée des impulsions à 100 microsecondes près, sur une période de près de vingt ans, ce qui leur a permis d’identifier une dérive à long terme des paramètres orbitaux.
Après avoir éliminé d’autres causes possibles de cette dérive, ils ont conclu qu’elle était le résultat de la précession Lense-Thirring due au compagnon naine blanche en rotation rapide.
Les résultats confirment la prédiction de la relativité générale et ont permis à l’équipe de contraindre la vitesse de rotation de la naine blanche.
“Au début, la paire stellaire semblait présenter plusieurs des effets classiques que la théorie d’Einstein prédisait. Nous avons ensuite remarqué un changement progressif dans l’orientation du plan de l’orbite”, a déclaré le Dr Krishnan.
“Nous avons postulé que cela pouvait être dû, au moins en partie, à ce que l’on appelle l’entraînement du cadre auquel toute matière est soumise en présence d’un corps en rotation, comme l’avaient prédit les mathématiciens autrichiens Lense et Thirring en 1918 “, a déclaré le Dr Paulo Freire, également de l’Institut Max Planck de radioastronomie.
“Dans une paire stellaire, la première étoile à s’effondrer est souvent en rotation rapide en raison du transfert de masse ultérieur de son compagnon. Dans ce système, l’orbite entière est entraînée par la rotation de la naine blanche, qui est mal alignée avec l’orbite”, a déclaré le professeur Thomas Tauris de l’université d’Aarhus.
“Les pulsars sont des super horloges dans l’espace. Les super horloges dans les champs gravitationnels forts sont les laboratoires de rêve d’Einstein”, a déclaré Evan Keane, de l’Organisation SKA.
“Nous avons étudié l’une des plus inhabituelles d’entre elles dans ce système d’étoiles binaires. En traitant les impulsions périodiques de lumière du pulsar comme les tics d’une horloge, nous pouvons voir et démêler de nombreux effets gravitationnels qui modifient la configuration orbitale et l’heure d’arrivée des impulsions des tics d’horloge.”
“Dans ce cas, nous avons vu la précession de Lens-Thirring, une prédiction de la relativité générale, pour la première fois dans un système stellaire quelconque.”
“Après avoir écarté toute une série d’erreurs expérimentales potentielles, nous avons commencé à soupçonner que l’interaction entre la naine blanche et l’étoile à neutrons n’était pas aussi simple qu’on l’avait supposé jusqu’à présent”, a déclaré le Dr Willem van Straten, de l’Université technologique d’Auckland.
Les résultats sont publiés dans le journal Science.
