Vue d’artiste du système PSR J0737-3039A/B — © Max Planck Institute for Radio Astronomy

L’étude au long cours de deux pulsars en orbite serrée l’un autour de l’autre a montré que leur comportement était conforme aux prédictions de l’une des plus célèbres théories d’Albert Einstein.

Une chorégraphie extrême

Formulée en 1915, la relativité générale décrit l’effet de la gravité sur l’espace-temps : plus un objet est massif, plus il perturbe son maillage. Dans le cas des pulsars, étoiles à neutrons extrêmement denses tournant sur elles-mêmes et émettant des faisceaux d’ondes radio à partir de leurs pôles magnétiques, cette théorie prédit que la lumière en émanant sera nettement déformée, car les photons suivent la courbure de l’espace-temps.

De plus, lorsque les étoiles à neutrons accélèrent, ce qui peut se produire lorsque deux d’entre elles tourbillonnent l’une autour de l’autre, elles émettent des ondes gravitationnelles (ou ondulations dans l’espace-temps) réduisant leur orbite en raison de la perte d’énergie. Un phénomène connu sous le nom de désintégration orbitale.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Physical Review X, Robert Ferdman et ses collègues de l’université d’East Anglia ont observé ces deux prédictions théoriques pour deux pulsars, connus sous le nom de PSR J0737-3039A/B. Orbitant l’un autour de l’autre en 147 minutes seulement, à des vitesses allant jusqu’à 1 million de kilomètres par heure, les deux astres tournent également rapidement sur leur axe : 44 fois par seconde pour le premier, contre une rotation toutes les 2,8 secondes pour le deuxième.

Représentation du double pulsar étudié par l’équipe — © Max Planck Institute for Radio Astronomy

À chaque rotation, une explosion de faisceaux atteint la Terre. « Elles nous parviennent de façon très régulière, à moins qu’un obstacle ou un phénomène astrophysique ne retarde leur arrivée », souligne Ferdman.

« Il s’agit du test le plus rigoureux à ce jour de la théorie d’Einstein »

À l’aide de sept radiotélescopes situés en Australie, aux États-Unis et en Europe, les chercheurs ont surveillé le système à double pulsar de 2003 à 2019. Ils ont constaté que les impulsions radio arrivaient systématiquement plus tard que prévu, et ont calculé que cela était dû au fait qu’elles étaient déviées d’un angle de 0,04 degré en raison de la forte courbure de l’espace-temps autour des deux astres. Selon Ferdman, il s’agit de la première preuve expérimentale d’une telle courbure.

Les chercheurs ont également constaté que les pulsars subissaient une désintégration orbitale due à l’émission d’ondes gravitationnelles. L’énergie transportée par ces ondes a pu être détectée avec une précision 1 000 fois supérieure à celle qu’offrent les détecteurs directs d’ondes gravitationnelles sur Terre, tels que LIGO.

« C’est le test le plus rigoureux à ce jour de la théorie d’Einstein, qui établit de nouveaux standards concernant le degré de précision que les expériences futures devront atteindre pour mettre la relativité générale à l’épreuve », estime Ferdman. « Il s’agit de la meilleure théorie dont nous disposions concernant la gravité, mais nous savons qu’en raison de son incompatibilité avec la mécanique quantique et le modèle standard [de la physique des particules], elle n’est pas infaillible. »

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