un pulsar record amène a tester la relativité générale dans des conditions extrêmes

Les astronomes ont utilisé le Très Grand Télescope de l'ESO (le VLT) ainsi que divers radiotélescopes terrestres pour trouver et étudier une étrange paire d'étoiles constituée de l'étoile à neutrons la plus massive connue à ce jour autour de laquelle une naine blanche est en orbite. Cette nouvelle binaire, atypique, permet d'effectuer des tests jusqu'alors impossibles de la théorie de la gravitation d'Einstein – la relativité générale.
Jusqu'ici, les nouvelles observations se révèlent en accord parfait avec les prédictions de la relativité générale et incompatibles avec une quelconque théorie alternative.
Les résultats de cette étude paraîtront dans l'édition du 26 avril 2013 de la revue Science.

Une équipe internationale a découvert un objet binaire atypique constitué d'une étoile à neutrons extrêmement dense qui effectue 25 rotations sur elle-même par seconde, autour de laquelle une naine blanche gravite en deux heures et demi.
L'étoile à neutrons est un pulsar qui émet des ondes radio que les radiotélescopes disséminés sur Terre peuvent capter. Ce système binaire pour le moins atypique est une curiosité en lui-même, mais il constitue aussi et surtout un laboratoire unique de tests des limites des théories physiques.

Ce pulsar, noté PSR J0348+0432, constitue le reste de l'explosion d'une supernova.
Il est deux fois plus lourd que le Soleil mais son diamètre est inférieur à 20 kilomètres.
A sa surface, le champ de gravité est au moins 300 milliards de fois plus intense que celui qui règne à la surface de la Terre ; en son centre, l'équivalent d'un morceau de sucre contient plus d'un milliard de tonnes de matière condensée.
Sa compagne, la naine blanche, est à peine moins exotique : elle constitue le vestige encore brillant d'une étoile bien plus légère qui a perdu son atmosphère et se refroidit lentement.

« J'étais en train d'observer le système au moyen du VLT de l'ESO, à la recherche des variations de la lumière émise par la naine blanche et résultant de son mouvement autour du pulsar » nous confie John Antoniadis, un doctorant de l'Institut Max Planck de Radioastronomie (MPIfR) à Bonn et auteur principal de l'article. « Une analyse rapide en temps réel m'a laissé entrevoir que le pulsar était très massif. Sa masse est deux fois supérieure à celle du Soleil, ce qui en fait l'étoile à neutrons la plus massive que nous connaissions et également un excellent laboratoire de recherche en physique fondamentale ».

La théorie de la relativité générale d'Einstein, qui explique que la gravitation résulte de la courbure de l'espace-temps générée par la présence de matière et d'énergie, a passé avec succès tous les tests effectués depuis sa publication, voici près d'un siècle. Mais elle ne peut constituer la théorie ultime et devra un jour être abandonnée [1].

Les physiciens ont formulé d'autres théories de la gravitation dont les prédictions diffèrent de celles de la relativité générale. Selon certaines de ces théories alternatives, ces différences n'apparaîtraient qu'en présence de champs gravitationnels extrêmement intenses, en dehors du Système Solaire donc. En termes de gravité, PSR J0348+0432 constitue un objet véritablement extrême, même en comparaison avec les autres pulsars qui ont été utilisés pour tester, avec grande précision, la théorie de la relativité générale d'Einstein [2].
Dans des champs gravitationnels si intenses, de faibles augmentations de masse peuvent générer de larges variations de courbure de l'espace-temps qui entoure de tels objets. Jusqu'à présent, les astronomes ignoraient totalement ce qui se produirait en présence d'une étoile à neutrons aussi massive que PSR J0348+0432. Elle offre donc l'opportunité unique de pousser les tests à l'extrême.

L'équipe a synchronisé les observations de la naine blanche effectuées au moyen du Très Grand Télescope avec le timing très précis du pulsar obtenu au moyen de radiotélescopes [3].
Un système binaire si rapproché émet des ondes gravitationnelles et perd de l'énergie. Ce qui induit de très lentes variations de la période orbitale et les variations prédites par la relativité générale et les autres théories concurrentes sont différentes.

« Nos observations effectuées dans le domaine radio étaient si précises que nous avons déjà été capables de mesurer une variation de 8 millionièmes de seconde par an dans la période orbitale, soit exactement ce que prédit la théorie d'Einstein », nous révèle Paulo Freire, un autre membre de l'équipe.

L'étude approfondie de cet objet unique ne fait que débuter et les astronomes l'utiliseront pour tester la relativité générale à un degré de précision toujours plus élevé.
Notes
[1] La théorie de la relativité générale n'est pas compatible avec l'autre grande théorie du XXème siècle, celle de la mécanique quantique. En outre, elle prédit des singularités dans certaines circonstances, lorsque certaines grandeurs tendent vers l'infini, au centre d'un trou noir par exemple.
[2] Le premier pulsar binaire, PSR B1913+16, a été découvert par Joseph Hooton Taylor Jr et Russell Hulse, ce qui leur a valu le Prix Nobel de Physique en 1993. Ils ont mesuré avec précision les variations de propriétés de cet objet singulier et montré qu'elles étaient tout à fait compatibles avec les pertes d'énergie par rayonnement gravitationnel prévues par la relativité générale.
[3] Ce travail a utilisé les données issues des radiotélescopes d'Effelsberg, d'Arecibo et de Green Bank ainsi que celles des télescopes optiques du Très Grand Télescope de l'ESO et du Télescope William Herschel.
Plus d'informations
Ce travail de recherche a fait l'objet d'un article intitulé « A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Orbit » par John Antoniadis et al., à paraître dans l'édition du 16 avril 2013 de la revue Science.