La théorie de la relativité générale d’Einstein a été utilisée avec succès pour déterminer la masse d’une étoile

La masse de Stein 2051 B, une étoile naine blanche située à environ 18 années-lumière de la Terre, a fait l’objet d’une controverse depuis plus d’un siècle. Finalement, un groupe d’astronomes a réalisé une mesure précise de la masse de l’étoile et réglé une fois pour toutes le vieux débat, en utilisant un phénomène cosmique qui a d’abord été prédit par Albert Einstein.

Les chercheurs ont calculé la masse de l’étoile en utilisant des observations réalisées par le télescope spatial Hubble, qui a étudié Stein 2051 B lorsqu’elle a éclipsé une autre étoile plus éloignée, vu de la Terre. Au cours de ce transit, l’étoile de fond/ en arrière plan semblait changer de position dans le ciel, se déplaçant légèrement sur le côté, même si sa position actuelle dans le ciel n’avait pas du tout changé.

Cette illusion d’optique cosmique est largement connue sous le nom de lentille gravitationnelle et ses effets ont été largement observés dans l’univers, en particulier à proximité d’objets très massifs, tels que des galaxies entières. Votre Guru l’a déjà largement détaillé dans d’autres articles comme le dernier en date (Des milliers de galaxies à travers l’effet d’une lentille naturelle) et l’effet se produit lorsqu’un objet massif déforme l’espace qui l’entoure et agit comme une très grande lentille, déformant/ pliant la trajectoire de la lumière à partir de l’objet le plus éloigné. Dans certains cas, cela crée l’illusion que l’étoile en arrière-plan a été déplacée. (L’eau peut également créer ce genre d’illusion, essayez de placer un crayon dans un verre d’eau et vous observerez que la moitié immergée du crayon semble être déconnectée de la moitié sèche).

Comme pour l’image en entête, cette illustration montre comment la gravité d’un objet, comme une étoile naine blanche (white Dwarf), déforme l’espace et la trajectoire des rayons lumineux d’un objet plus éloignés. (ESA/ Hubble/ NASA)

Einstein a prédit que ces événements de déplacement pourraient être utilisés pour mesurer des masses stellaires, car la mesure du décalage de la position de l’étoile en arrière-plan dépend de la masse de celle au premier plan. Mais les télescopes à l’époque ne disposaient pas de la sensibilité nécessaire.

Les scientifiques à l’origine de cette étude (du Space Telescope Science Institute et de la School of Physics & Astronomy de l’université St Andrews en Angleterre) ont déclaré que personne, auparavant, n’a utilisé le déplacement d’une étoile de fond pour calculer la masse d’une étoile. En fait, il n’y a qu’un autre exemple de scientifiques qui ont mesuré ce déplacement entre des étoiles individuelles. Au cours de l’éclipse solaire totale de 1919, des scientifiques ont vu le soleil “déplacer” quelques étoiles en arrière-plan. Cette mesure ne fut rendue possible qu’en raison de la proximité du Soleil avec la Terre.

La théorie de la relativité générale d’Einstein a émis l’hypothèse que l’espace est flexible plutôt que fixe et que les objets massifs (comme les étoiles) courbent l’espace, comme le serait la toile d’un trampoline sur lequel on aurait posé une boule de bowling. Le degré de déformation de l’espace engendré par un objet dépend de la masse de celui-ci (plus la boule de bowling sera lourde, plus elle déformera la toile du trampoline).

Un rayon de lumière se déplace normalement en ligne droite dans un espace vide, mais si le rayon passe près d’un objet massif, la courbe dans l’espace créé par l’étoile engendre un virage dans sa trajectoire, ce qui fait que le rayon lumineux s’éloigne de sa trajectoire initiale.

Einstein a montré que cette déviation pourrait diriger davantage de lumière vers l’observateur, à la façon dont une loupe peut focaliser la lumière diffuse du soleil sur un point précis. Cet effet amène l’objet en arrière-plan à apparaître plus brillant, ou il crée un anneau de lumière vive autour de l’objet de premier plan appelé anneau d’Einstein.

Cette image (clic pour agrandir) montre un anneau d’Einstein (au milieu à droite), qui se produit lorsqu’un objet massif agit comme une lentille. Ce phénomène est connu sous le nom de lentille gravitationnelle et vous trouverez un autre exemple dans l’article du Guru : “Un anneau d’Einstein engendré par la déformation de l’espace par une galaxie”. (ESA / Hubble & NASA)

Les astronomes ont eu l’occasion d’observer des anneaux d’Einstein lorsque des lentilles très massives au premier plan, comme des galaxies, créent le phénomène. Ceux-ci ont également été observés le long du plan de la Voie lactée, où des étoiles (individuellement) engendrent l’effet de lentille. Il a également été utilisé pour détecter des planètes autour d’autres étoiles.

Dans la nouvelle étude, les astronomes ont signalé la première observation de “lentilles asymétriques” (« asymmetric lensing », la partie de la théorie de la relativité générale d’Einstein y faisant référence s’appelle “astrometric lensing”), deux étoiles à l’extérieur du système solaire de la Terre, où la position de l’étoile en arrière-plan semblait changer.

Le degré de déplacement est directement lié à la masse de l’objet au premier plan. Avec des objets relativement “légers”, comme les étoiles, le déplacement est extrêmement petit et donc plus difficile à détecter, selon Kailash C. Sahu, un astronome du Space Telescope Science Institute à Baltimore et l’auteur principal du nouveau document de recherche. Dans le cas de Stein 2051 B, le déplacement était d’environ 2 milli seconde d’arc sur le plan du ciel, soit environ égal à la largeur d’un quarter (pièce de monnaie américaine) vue à une distance de 2 400 km, selon Sahu.

La mesure d’un si subtil changement nécessitait un instrument puissant, comme la caméra haute résolution du télescope spatial Hubble, qui a été installé en 2009. Cet instrument a également permis de se focaliser sur la lumière de l’étoile déplacée, qui a été quelque peu éclipsée par la lumière de Stein 2051 B, “comme une luciole à côté d’une ampoule”, selon Sahu.

Les chercheurs ont réalisé 8 mesures entre octobre 2013 et octobre 2015, afin de pouvoir observer la naine blanche qui se déplaçait à travers le ciel, éclipsant l’étoile de fond et créant le déplacement. Les scientifiques ont également observé la position réelle de l’étoile d’arrière-plan après le passage de la naine blanche. Ils ont déterminé que Stein 2051 B, la sixième étoile naine blanche la plus proche du Soleil, a une masse qui représente environ les deux tiers de celle du Soleil.

Ces résultats fournissent encore une autre façon de prouver que la théorie d’Einstein sur la relativité générale est correcte. Ils résolvent également un vieux mystère de près d’un siècle sur la masse et la composition de Stein 2051 B et confirme la théorie qui a valu un prix Nobel à Subrahmanyan Chandrasekhar, en 1935, sur le rapport entre la masse et le rayon des étoiles naines blanches.

De plus, la recherche donne également une autre façon de mesurer la masse des étoiles. La déflexion apparente de la position de l’étoile en arrière-plan est directement liée à la masse et à la gravité de la naine blanche et cela peut maintenant être utilisé dans d’autres relevés astronomiques du ciel.

Selon Terry Oswalt de l’Embry-Riddle Aeronautical University (Floride) commentant les résultats de l’étude :

Einstein serait fier. Une de ses principales prédictions a passé un test d’observation très rigoureux.

Les résultats de l’étude ont été présentés lors de la 230e réunion de l’American Astronomical Society à Austin et seront publiés dans la revue Science ce week-end. Ils ont été commentés dans un document de recherche rédigé par Terry Oswalt : A centennial gift from Einstein.