Après 16 ans d’expérimentation, l’observation d’un système à double pulsar montre que la relativité générale est toujours imbattable
Une équipe internationale a mis à l’épreuve la théorie d’Einstein grâce à un système à double pulsar et à 16 ans de tests rigoureux.
Image d’entête : illustration du double pulsar PSR J0737-3039A/B. (Michael Kramer/ MPIfRA)
À l’aide de télescopes du monde entier (image ci-dessous), ils ont découvert que la théorie de la relativité générale d’Einstein, publiée à l’origine en 1915, est toujours valable aujourd’hui.
Les 7 radiotélescopes utilisés pour les observations du pulsar double PSR J0737-3039. Dans le sens des aiguilles d’une montre, à partir du haut à gauche : Radiotélescope d’Effelsberg (Allemagne), radiotélescope de Nançay (NRT, France), radiotélescope de synthèse de Westerbork (WSRT, Pays-Bas), radiotélescope de Parkes (Australie), télescope de Jodrell Bank (Royaume-Uni), Very Long Baseline Array (VLBA, États-Unis), Green Bank Telescope (GBT, États-Unis). L’image à plus haute résolution est accessible dans la colonne de gauche. (Institut Max-Planck de radioastronomie)
Mais qu’est-ce que la relativité générale ? En bref, il s’agit de la description de la gravité utilisée en physique moderne, une propriété géométrique de l’espace et du temps également connue sous le nom d’espace-temps quadridimensionnel. Cependant, bien qu’elle soit la théorie la plus simple et la plus cohérente avec les données expérimentales à l’échelle de l’espace, la relativité générale ne peut être conciliée avec les lois de la physique quantique aux plus petites échelles de notre univers.
La théorie de la relativité générale décrit le fonctionnement de la gravité à de grandes échelles dans l’univers, mais elle s’effondre à l’échelle atomique où la mécanique quantique règne en maître
Pour le chef de l’équipe de recherche, le professeur Michael Kramer, de l’Institut Max-Planck de radioastronomie (MPIfR) de Bonn, en Allemagne, ce résultat permet de mieux affiner nos connaissances de l’univers.
L’équipe devait trouver des moyens de tester la théorie d’Einstein à une échelle intermédiaire, pour voir si elle reste vraie. Heureusement, l’Observatoire de Parkes a permis de trouver en 2003 le “laboratoire cosmique” idéal, connu sous le nom de pulsar double.
Représentation artistique du système à double pulsar. (Max Planck Institute for Radio Astronomy)
Leurs observations du double pulsar au cours des 16 dernières années se sont révélées étonnamment cohérentes avec la théorie de la relativité générale d’Einstein, à 99,99 % près.
Le premier système de pulsar binaire, SR B1913+16, a été identifié en 1975, mais ce système, comme ceux découverts par la suite, comprenait un pulsar et une étoile en orbite l’un autour de l’autre. Le système à double pulsar, PSR J0737-3039A/B, a été repéré en 2003 et reste le seul système à ce jour à contenir deux pulsars sur une orbite binaire, ce qui offre une occasion rare de tester la relativité générale.
Un système à double pulsar fonctionne un peu comme une horloge avec une trotteuse qui fait tic-tac. Les deux pulsars en orbite, de denses étoiles à neutrons, créent des champs gravitationnels très puissants et émettent des ondes radio à un intervalle de temps régulier (la seconde aiguille, dans cette analogie). Ils ont également des temps de rotation très stables, et très rapides.
Représentation d’une étoile à neutrons, encore appelée pulsar, en rotation rapide. (NASA Goddard)
Les étoiles du système pulsar double effectuent une orbite toutes les 2,5 heures, un pulsar tournant 45 fois par seconde tandis que l’autre ne tourne que 2,8 fois par seconde.
Les deux pulsars devraient entrer en collision d’ici 85 millions d’années car, selon la relativité générale, les accélérations extrêmes du système mettent à rude épreuve le tissu de l’espace-temps et provoquent des ondulations qui le ralentiront. Mais avec une échelle de temps aussi longue, cette perte d’énergie est difficile à détecter.
Heureusement, les tics d’horloge des ondes radio provenant des pulsars en rotation sont de parfaits outils pour retracer ces minuscules changements. Les pulsars dont la rotation est stable permettent de mesurer les minuscules variations des temps d’arrivée de ces tics afin de tester les théories gravitationnelles.
Membre de l’équipe de recherche, le professeur associé Adam Deller, de l’Université technologique de Swinburne et du Centre d’excellence ARC pour les ondes gravitationnelles (OzGrav), explique que ces tics mettent environ 2400 ans pour atteindre la Terre, ajoutant :
Nous avons modélisé les heures d’arrivée précises de plus de 20 milliards de ces tics d’horloge sur 16 ans. Cela n’était toujours pas suffisant pour nous dire à quelle distance se trouvent les étoiles, et nous avions besoin de le savoir pour tester la relativité générale.
En ajoutant les données du Very Long Baseline Array, un réseau de télescopes répartis dans le monde entier, l’équipe de recherche a pu repérer chaque année une minuscule oscillation dans la position des étoiles, qui pourrait être utilisée pour déterminer leur distance par rapport à la Terre.
Peut-être à la déception des chercheurs, le résultat final a montré que la théorie d’Einstein tenait la route : les résultats étaient conformes à 99,99 % aux prédictions de la relativité générale.
A partir de l’étude : décalage cumulatif du temps de périastre orbital pour le pulsar double. Les données sont comparées à deux théories de la gravité : La théorie de la relativité d’Einstein, qui prédit l’émission d’ondes gravitationnelles, et la théorie de Newton, qui ne le fait pas. Les observations de Kramer et de ses collègues montrent une concordance exceptionnelle avec la théorie d’Einstein. (M. Kramer et col./ Physical Review X)
Le système à double Pulsar reste un outil unique pour tester les théories gravitationnelles, et l’équipe prévoit de continuer à l’utiliser pour essayer de remettre en question la théorie d’Einstein.
Selon Deller :
Nous reviendrons à l’avenir avec de nouveaux radiotélescopes et de nouvelles analyses de données, dans l’espoir de déceler une faiblesse dans la relativité générale qui nous conduira à une théorie gravitationnelle encore meilleure.
L’étude publiée dans Physical Review X : Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar, présentée sur le site de l’Institut Max-Planck de radioastronomie : Einstein wins again et sur le site d’APS Physics : General Relativity Withstands Double Pulsar’s Scrutiny.
bonsoir
je n’ai pas sasi en quoi ce système de deux pulsar permet de démontrer la relativité générale. Que prévoit la théorie st sur quoi et que donne l’observation?
d’avance merci
Bonjour !
C’est pourtant dans le texte cher SAint-Cliier : « Les deux pulsars devraient entrer en collision d’ici 85 millions d’années car, selon la relativité générale, les accélérations extrêmes du système mettent à rude épreuve le tissu de l’espace-temps et provoquent des ondulations qui le ralentiront. » Il s’agissait de confirmer ce phénomène qui n’existait, juqu’à maintenant, que sous forme de théorie, la fameuse relativité générale, jamais observée sur le « terrain ». Voilà !