Radio Pulsar Binary prouve qu’Einstein a raison à au moins 99,99%

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, espérant trouver des déviations par rapport à cette théorie établie. La raison est simple : toute indication de physique au-delà de la RG ouvrirait de nouvelles fenêtres sur l’univers et aiderait à résoudre certains des mystères les plus profonds du cosmos.

L’un des tests les plus rigoureux jamais réalisés a été récemment mené par une équipe internationale d’astronomes dirigés 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. Dans le processus, ils ont observé pour la première fois les effets prédits par GR, et avec un précisément d’au moins 99,99 % !

En plus des chercheurs du MPIfR, Kramer et ses associés ont été rejoints par des chercheurs d’institutions de dix pays différents – dont le Jodrell Bank Center for Astrophysics (Royaume-Uni), l’ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (Australie), le Perimeter Institute de physique théorique (Canada), l’Observatoire de Paris (France), l’Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italie), l’Observatoire sud-africain de radioastronomie (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 et larges d’ondes radio. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Les « pulsars radio » sont une classe spéciale d’étoiles à neutrons à rotation rapide et fortement magnétisées. Ces objets super denses émettent de puissants faisceaux radio à partir de leurs pôles qui (lorsqu’ils sont 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 comme GR et Dynamique newtonienne modifiée (MOND) dans certaines des conditions les plus extrêmes imaginables. Pour les besoins de leur étude, Kramer et son équipe ont examiné le PSR J0737-3039 A/B, le système « Double Pulsar » situé à 2 400 années-lumière de la Terre dans le chiots de la constellation.

Ce système est la seule radio pulsar binaire jamais observé et a été découvert en 2003 par des 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. Alors qu’ils sont environ 30% plus massifs que le Soleil, ils ne mesurent qu’environ 24 km (15 mi) de diamètre. D’où leur attraction gravitationnelle extrême et leurs champs magnétiques intenses.

Outre ces propriétés, la période orbitale rapide de ce système en fait un laboratoire quasi parfait pour tester les théories de la gravitation. En tant que Pr. Kramer a déclaré dans un récent communiqué de presse du MPIfR :

« 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 forts. 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 pulsar Hulse-Taylor, lauréat du prix Nobel, et 1000 fois meilleure que ce qui est actuellement possible avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Vue d’artiste de la trajectoire de l’étoile S2 passant très près du Sagittaire A*, ce 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 télescope de Green Bank (États-Unis), le radiotélescope de Nançay (France), le télescope Effelsberg de 100 m (Allemagne), le Lovell Radio Telescope (Royaume-Uni), le Westerbork Synthesis Radio Telescope (Pays-Bas) et le Very Long Baseline Array (États-Unis).

Ces observatoires couvraient différentes parties du spectre radio, 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. En tant que co-auteur de l’étude, le Prof. Ingrid Stairs de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) à Vancouver a expliqué :

« 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 degrés que nous pouvons détecter. Jamais auparavant une telle expérience n’avait été menée à une courbure d’espace-temps aussi élevée.

En tant que co-auteur Prof. Dick Manchester de l’Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) a ajouté que le mouvement orbital rapide d’objets compacts comme ceux-ci leur a permis de tester sept prédictions différentes de GR. Ceux-ci incluent les ondes gravitationnelles, la propagation de la lumière (« retard de Shapiro et flexion de la lumière), la dilatation du temps, l’équivalence masse-énergie (E = mc²), et quel effet le rayonnement électromagnétique a 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 ! il a dit. « 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 GR d’Einstein a aidé à résoudre.

Seulement ici, l’effet était 140 000 fois plus fort, ce qui a amené l’équipe à se rendre compte qu’elle devait également tenir compte de l’impact de la rotation du pulsar sur l’espace-temps environnant – alias. l’effet Lens-Thirring, ou « frame-dragging ». En tant que Dr. Norbert Wex du MPIfR, un 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 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.

Un autre enseignement précieux de cette expérience était 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 haute résolution de 2 400 années-lumière avec une marge d’erreur de 8 %.

Illustration d’artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. 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/Université d’État de Sonoma/A. Simonnet

En fin de compte, les résultats de l’équipe étaient non seulement en accord avec GR, mais ils ont également pu voir des effets qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant. Comme Paulo Freire, un autre co-auteur de l’étude (et également de MPIfR), l’a exprimé :

« Nos résultats sont bien complémentaires à d’autres études expérimentales qui testent la gravité dans d’autres conditions ou voient différents effets, 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 triple système stellaire, qui a fourni un test indépendant (et superbe) de l’universalité de la chute libre.

« Nous avons atteint un niveau de précision qui est atteint », a déclaré le Pr. Kramer a conclu. « De futures expériences avec des télescopes encore plus grands peuvent aller et iront encore plus loin. Nos travaux ont montré comment de telles expérimentations doivent être conduites et quels effets subtils doivent désormais 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 la revue Examen physique X,

Publié à l’origine sur Univers aujourd’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, Examen physique X.
DOI : 10.1103/PhysRevX.11.041050