Des astrophysiciens témoins de la courbure de l’espace-temps provoquée par une danse cosmique

Une équipe internationale d’astrophysiciens a pu confirmer l’effet Lense-Thirring, qui décrit un phénomène d’entraînement de l’espace-temps autour d’objets très denses en rotation très rapide, autour d’une naine blanche dans le cadre d’un système binaire. Cet effet, issu de la théorie de la relativité d’Albert Einstein, a ainsi pu être démontré à une échelle beaucoup plus notable qu’avec la Terre.

Une théorie scientifique vieille de plus d’un siècle

Des astrophysiciens ont réuni un ensemble de données qui constitue une preuve supplémentaire pour valider la théorie d’Einstein de la relativité générale, et les ont publiées dans la revue Science. En effet, en 1905, Albert Einstein publie sa théorie de la relativité, selon laquelle la force de gravité résulte de la courbure de l’espace et du temps et que des objets, tels que le Soleil et la Terre, modifient cette géométrie. Les corps en rotation entraînent avec eux l’espace-temps. En d’autres mots, plus un objet tourne vite et plus il est massif, plus l’entraînement est puissant.

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En 1918, soit trois ans après la publication de la théorie d’Einstein, les mathématiciens autrichiens Josef Lense et Hans Thirring ont réalisé que, si Einstein avait raison, tous les corps en rotation devraient “traîner” avec eux le tissu même de l’espace-temps. C’est ce qu’on a appelé l’effet Lense-Thirring.

 Au fil du temps, le développement d’instruments d’astronomie toujours plus puissants a permis de nouvelles découvertes. Par exemple, les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois en 2015 par la congrégation de scientifiques LIGO Science Collaboration lors de la collision de deux trous noirs.

Un système binaire comme parfais laboratoire

Il y a près de 20 ans, une équipe dirigée par le professeur Bailes de l’université de technologie de Swinburne, directeur du Centre d’excellence de l’ARC en matière de découverte d’ondes gravitationnelles (OzGrav), a commencé à observer deux étoiles tournant l’une autour de l’autre à des vitesses étonnantes grâce au radio-télescope CSIRO Parkes. L’une est une naine blanche de la taille de la Terre mais avec 300 000 fois sa densité ; l’autre est un pulsar qui, alors qu’il ne fait que 20 kilomètres de diamètre, représente environ 100 milliards de fois la densité de la Terre. Cette paire d’étoiles a été baptisée « PSR J1141-6545 ».

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Cette paire s’est certainement formée il y a plus d’un milliard d’années. Avant que l’étoile n’explose, devenant une étoile à neutrons de type pulsar, elle a commencé à enfler en jetant son noyau externe, qui est tombé sur la naine blanche à proximité. Cette chute de débris a fait tourner la naine blanche de plus en plus vite, jusqu’à ce que sa journée ne soit mesurée qu’en termes de minutes. 

Une naine blanche et un pulsar confirment l’échelle Lense-Thirring à grande échelle

Depuis 2001, les chercheurs ont utilisé le radio-télescope Parkes plusieurs fois par an pour cartographier l’orbite de ce système, qui présente une multitude d’effets gravitationnels. Bien que PSR J1141-6545 soit à plusieurs centaines de quadrillions de kilomètres, les données montrent que le pulsar tourne 2.54 fois par seconde, et que son orbite varie dans l’espace. Cela signifie que le plan de son orbite n’est pas fixe, mais tourne lentement. En effet, Vivek Venkatraman Krishnan, auteur principal de cette étude, explique que “au début, la paire stellaire semblait présenter bon nombre des effets classiques prédits par la théorie d’Einstein. Nous avons ensuite remarqué un changement progressif dans l’orientation du plan de l’orbite.”

Comment est-ce possible ? La naine blanche, qui tourne rapidement comme expliqué plus haut, entraîne l’espace-temps avec elle 100 millions de fois plus fort que ne le fait la Terre. De ce fait, elle fait basculer le plan orbital du pulsar pendant qu’il se déplace. Cette inclinaison est ce que les astrophysiciens ont observé à travers la cartographie de l’orbite du pulsar. 

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