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Une équipe internationale de scientifiques a récemment enregistré la preuve la plus précise à ce jour de l’universalité de la chute libre, qui constitue l’une des pierres angulaires de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

L’un des piliers de la théorie de la relativité

Grâce aux radiotélescopes, les scientifiques peuvent observer très précisément le signal produit par les pulsars, un type d’étoile à neutrons, et tester la validité de la théorie de la gravitation d’Einstein pour ces objets extrêmes. Dans le cadre de ces nouvelles recherches présentées dans la revue Astronomy, l’équipe a notamment analysé les signaux d’un pulsar nommé « PSR J0337+1715 » enregistré par le grand radiotélescope de Nançay, situé au cœur de la Sologne.

Le principe de l’universalité de la chute libre stipule que deux corps lâchés dans un champ gravitationnel subissent la même accélération indépendamment de leur composition. Ce principe a été démontré pour la première fois par Galilée, qui aurait lâché des objets de masse différente du haut de la tour de Pise afin de vérifier qu’ils atteignaient tous deux le sol simultanément.

Ce principe se retrouve également au cœur de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cependant, certaines allusions telles que l’incohérence entre la mécanique quantique et la relativité générale, ou l’énigme de la prédominance de la matière noire et de l’énergie sombre dans la composition de l’Univers, ont conduit de nombreux physiciens à penser que la relativité générale pourrait ne pas être la théorie ultime concernant la gravité.

Les observations du Pulsar J0337+1715, une étoile à neutrons dont le noyau stellaire possède une masse égale à 1,44 fois celle du Soleil et s’est effondré en une sphère de seulement 25 km de diamètre, montrent qu’il orbite avec deux naines blanches disposant d’un champ gravitationnel beaucoup plus faible. Ce qui confirme la validité du principe d’universalité de la chute libre.

« Deux corps de composition différente tombent avec la même accélération dans le champ gravitationnel d’un troisième »

« Le pulsar émet un faisceau d’ondes radio qui balaye l’espace. À chaque rotation, cela crée un flash de lumière radio qui est enregistré avec une grande précision par le radiotélescope de Nançay », explique Guillaume Voisin de l’université de Manchester, qui a supervisé les travaux. « Lorsque le pulsar se déplace sur son orbite, le temps que la lumière met pour atteindre la Terre est modifié. C’est la mesure précise et la modélisation mathématique, à la nanoseconde près, de ces temps d’arrivée qui permettent aux scientifiques de déduire avec une extrême finesse le mouvement de l’étoile. »

« C’est surtout la configuration unique de ce système, semblable au système Terre-Lune-Soleil avec la présence d’un second compagnon (jouant le rôle du Soleil) vers lequel tombent ou orbitent les deux autres étoiles, qui a permis de réaliser une version stellaire de la célèbre expérience de Galilée », ajoute le chercheur. « Deux corps de composition différente chutent avec la même accélération dans le champ gravitationnel d’un troisième. La Terre pour Galilée, le second compagnon dans le cas présent. »

Le pulsar orbite avec deux naines blanches. Se trouvant à une distance environ 10 fois plus faible que celle séparant Mercure du Soleil, la plus proche effectue une rotation autour du pulsar en 1,6 jour seulement. Ce système binaire, que l’on pourrait comparer au tandem Terre/Lune dans le Système solaire, orbite avec une troisième étoile : une naine blanche de 0,4 masse solaire située à une distance légèrement supérieure à celle séparant la Terre du Soleil.

Vue d’artiste du pulsar J0337+1715 (en bleu) en orbite avec une naine blanche proche et une seconde naine blanche plus distante en arrière plan – © G. Voisin / CC-BY-SA 4.0

La confirmation la plus précise de la théorie d’Einstein pour des objets très fortement autogravitants

Au sein du Système solaire, l’expérience de télémétrie laser lunaire a permis de vérifier que la Lune et la Terre étaient toutes deux affectées de manière identique par le champ gravitationnel du Soleil, comme le prédit l’universalité de la chute libre (le mouvement orbital étant une forme de chute libre).

Cependant, on sait que certains écarts par rapport à l’universalité ne peuvent se produire que pour des objets fortement autogravitants, comme les étoiles à neutrons, c’est-à-dire des objets dont la masse est largement constituée de leur propre énergie gravitationnelle grâce à la célèbre relation d’Einstein : E=mc2. La nouvelle expérience sur les pulsars réalisée par l’équipe comble le vide laissé par les tests réalisés pour le Système solaire où aucun objet n’est fortement autogravitant, pas même le Soleil.

L’équipe a démontré que le champ gravitationnel extrême du pulsar ne peut pas différer de plus de 1,8 partie par million (avec un niveau de confiance de 95 %) par rapport à la prédiction de la relativité générale : c’est la confirmation la plus précise jamais obtenue de la théorie d’Einstein pour des objets très fortement autogravitants.

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