Confirmation du principe d'équivalence de la Relativité Générale avec un Pulsar

Publié par Adrien le 05/05/2020 à 09:00
Source: Observatoire de Paris
Une collaboration impliquant des chercheurs de l'Observatoire de Paris-PSL, du CNRS, et du LPC2E (Orléans) rapporte dans la revue Astronomy and Astrophysics la confirmation la plus précise à ce jour de l'un des piliers de la théorie de la relativité générale d'Einstein: l'universalité de la chute libre ou principe d'équivalence gravitationel pour des objets fortement auto-gravitants, comme les étoiles à neutrons. Pour cela, l'équipe a analysé à l'aide du calculateur MESOPSL les signaux du pulsar (Un pulsar est le nom donné à une étoile à neutrons, tournant très rapidement sur elle-même (période typique de l'ordre de la...) PSR J0337+1715 enregistrés par le grand radiotélescope (Un radiotélescope est un télescope spécifique utilisé en radioastronomie pour capter les ondes radioélectriques émises par les astres. Ces ondes...) de Nançay, situé au coeur de la Sologne (La Sologne est une région forestière française situé dans la région Centre et comprise entre la Loire et l'un de ses affluents, le Cher.).


Le système triple, composé du pulsar PSR J0337+1715 et de deux naines blanches, l'une très proche et l'autre lointaine.

Le pulsar PSR J0337+1715 est une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la...) à neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) - un coeur d'étoile de 1,44 fois la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...) effondré en une boule de seulement 25km de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) - orbitant avec deux étoiles naines blanches. L'une d'elles est très proche du pulsar, 1/10ème de la distance Soleil-Mercure seulement, et l'autre se situe à une distance comparable à la distance Terre-Soleil.En tournant sur lui-même en seulement 3ms, le pulsar émet un faisceau d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) radio qui, tel un phare galactique, balaie l'espace. A chacune des rotations un flash de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) radio est immédiatement enregistré avec grande précision par le radiotélescope de Nançay. Alors que le pulsar se déplace sur son orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.), la lumière met plus ou moins de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) à arriver sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). C'est la mesure et la modélisation mathématique précise (à la nanoseconde près) de ces temps d'arrivée qui permet aux chercheurs de reconstituer avec une extrême finesse le mouvement de l'astre.

Surtout, c'est la configuration unique du système, avec un second compagnon vers lequel les deux autres "chutent" (orbitent) qui a permis de réaliser une version stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.) de la fameuse expérience de Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du...) depuis la tour de Pise (La tour penchée de Pise (torre pendente di Pisa en italien) est un des symboles du centre de l'Italie.): deux corps de compositions différentes chutent avec la même accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) dans le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) gravitationnel d'un troisième (la Terre pour Galilée, la second compagnon dans le cas présent). Ainsi, l'équipe a démontré que le champ de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) extrême du pulsar ne peut dévier de plus de 1,8 partie par million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède...) (avec un niveau de confiance de 95%) par rapport à la prédiction de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...) ce qui en fait la confirmation la plus précise jamais obtenue de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation...) d'Einstein pour des objets très fortement auto-gravitants.


Le Grand Radiotélescope de Nancay, où le pulsar a été observé intensivement depuis sa découverte en 2012. Crédit Letourneur.

Référence:
An improved test of the strong equivalence principle with the pulsar in a triple star system,
G. Voisin, I. Cognard, P. C. C. Freire, N. Wex, G. Guillemot, G. Desvignes, M.Kramer, G. Theureau Astronomy & Astrophysics, May 2020
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