Théorie de la relativité générale : Même une étoile à neutrons tombe comme une plume

La compréhension d’Einstein de la gravité, telle que décrite dans sa théorie générale de la relativité, prédit que tous les objets tombent à la même vitesse, indépendamment de leur masse ou de leur composition. Cette théorie a passé un test après l’autre sur Terre, mais est-ce qu’elle reste vraie pour certains des objets les plus massifs et les plus denses de l’univers connu, un aspect de la nature connu sous le nom de Principe d’Équivalence Forte ? Et la réponse est oui, même un objet aussi dense qu’une étoile à neutrons tombe à la même vitesse qu’une plume.


Une impression d'artiste du système d'étoile triple PSR J0337+1715, qui est situé à environ 4.200 années-lumière de la Terre. Ce système fournit un laboratoire naturel pour tester les théories fondamentales de la gravité - Crédit : NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello
Une impression d'artiste du système d'étoile triple PSR J0337+1715, qui est situé à environ 4.200 années-lumière de la Terre. Ce système fournit un laboratoire naturel pour tester les théories fondamentales de la gravité - Crédit : NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

Une équipe internationale d’astronomes a permis de tester cette question de façon rigoureuse. Leurs découvertes, publiées dans la revue Nature, montrent que les idées d’Einstein sur la gravité continuent de dominer même dans l’un des scénarios les plus extrêmes de l’Univers. Si vous enlevez tout l’air et que vous laissez tomber un marteau et une plume, alors ils tomberont à la même vitesse, un concept exploré par Galilée à la fin des années 1500 et célèbrement démontré sur la Lune par l’astronaute David Scott de la mission Apollo 15.1

Le Principe d’Équivalence Forte

Bien qu’étant à la base de la physique newtonienne, il a fallu la théorie de la gravité d’Einstein pour expliquer le pourquoi et le comment du processus. À ce jour, les équations d’Einstein ont passé tous les tests, des études de laboratoire aux observations de planètes dans notre système solaire. Mais les alternatives à la théorie de la relativité générale d’Einstein prédisent que les objets compacts avec une gravité extrêmement forte, comme les étoiles à neutrons, tombent un peu différemment des objets de moindre masse. Cette différence, prédisaient ces théories alternatives, serait due à l’énergie dite de liaison gravitationnelle d’un objet compact, l’énergie gravitationnelle qui le maintient ensemble.

Une illustration de l'expérience de l'astronaute David Scott sur la lune. Le marteau et la plume tombent à la même vitesse indépendamment de leur masse.

Une illustration de l’expérience de l’astronaute David Scott sur la lune. Le marteau et la plume tombent à la même vitesse indépendamment de leur masse.

En 2011, le Green Bank Telescope (GBT) de la National Science Foundation (NSF) a découvert un laboratoire naturel pour tester cette théorie dans des conditions extrêmes. Un système de triple étoile appelé PSR J0337+1715, situé à environ 4 200 années-lumière de la Terre. Ce système contient une étoile à neutrons sur une orbite de 1,6 jour avec une étoile naine blanche, et la paire sur une orbite de 327 jours avec une autre naine blanche.

Le système stellaire triple de PSR J0337+1715

C’est un système d’étoiles unique selon Ryan Lynch du GBT en Virginie-Occidentale et coauteur du papier. Nous n’en connaissons pas d’autres semblables ce qui en fait un laboratoire unique pour mettre à l’épreuve les théories d’Einstein. Depuis sa découverte, le système triple a été observé régulièrement par le GBT, le Westerbork Synthesis Radio Telescope aux Pays-Bas et l’Observatoire Arecibo de la NSF à Porto Rico. Le GBT a passé plus de 400 heures à observer ce système, à prendre des données et à calculer comment chaque objet se déplace par rapport à l’autre.

Comment ces télescopes ont-ils pu étudier ce système ? Cette étoile à neutrons particulière est en fait un pulsar. De nombreux pulsars tournent avec une constance qui rivalise avec certaines des horloges atomiques les plus précises sur Terre. Étant l’un des radiotélescopes les plus sensibles au monde, le GBT peut capter ces faibles impulsions d’ondes radio pour étudier la physique extrême selon Lynch. L’étoile à neutrons dans ce système pulse (tourne) 366 fois par seconde.

Les prédictions de la relativité générale se maintiennent

Nous pouvons capturer chaque impulsion de l’étoile à neutrons depuis que nous avons commencé nos observations selon Anne Archibald de l’Université d’Amsterdam et l’Institut néerlandais de radioastronomie et auteur principal sur le papier. Nous pouvons prédire sa localisation à quelques centaines.

Si les alternatives à la théorie gravitationnelle d’Einstein étaient correctes, alors l’étoile à neutrons et la naine blanche intérieure tomberaient chacune différemment vers la naine blanche extérieure. La naine blanche interne n’est pas aussi massive ou compacte que l’étoile à neutrons et elle a donc moins d’énergie de liaison gravitationnelle selon Scott Ransom, astronome à l’Observatoire national de radioastronomie à Charlottesville, Virginie.

Grâce à des observations méticuleuses et à des calculs minutieux, l’équipe a pu tester la gravité du système en utilisant les impulsions de l’étoile à neutrons. Ils ont trouvé que toute différence d’accélération entre l’étoile à neutrons et la naine blanche interne est trop petite pour être détectée. S’il y a une différence, elle ne dépasse pas trois parties sur un million selon la co-auteure Nina Gusinskaia de l’Université d’Amsterdam. Ceci place de sérieuses contraintes sur toutes les théories alternatives à la relativité générale.

Ce résultat est 10 fois plus précis que le meilleur test précédent de la gravité ce qui renforce la preuve du principe d’équivalence forte d’Einstein. Nous cherchons toujours de meilleures mesures dans de nouveaux endroits et donc, notre quête pour apprendre de nouvelles frontières dans notre Univers va continuer selon Ransom.

Sources

1.
Nature. Nature. 10.1038/s41586-018-0265-1″ target=”_blank” rel=”noopener noreferrer”>http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0265-1. Published July 4, 2018. Accessed July 4, 2018.
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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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