Qu'est-ce qu'Albert Einstein, le système de positionnement global (GPS), et une paire d'étoiles 200, 000 milliards de kilomètres de la Terre ont-ils en commun ?

La réponse est un effet de la théorie de la relativité générale d'Einstein appelé "le décalage vers le rouge gravitationnel, " où la lumière est déplacée vers des couleurs plus rouges en raison de la gravité. À l'aide de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, les astronomes ont découvert le phénomène dans deux étoiles en orbite l'une autour de l'autre dans notre galaxie vers 29, 000 années-lumière (200, 000 billions de miles) de la Terre. Alors que ces étoiles sont très éloignées, les redshifts gravitationnels ont des impacts tangibles sur la vie moderne, car les scientifiques et les ingénieurs doivent les prendre en compte pour permettre des positions précises pour le GPS.

Alors que les scientifiques ont trouvé des preuves irréfutables de décalages gravitationnels vers le rouge dans notre système solaire, il a été difficile de les observer dans des objets plus éloignés dans l'espace. Les nouveaux résultats de Chandra fournissent des preuves convaincantes des effets de décalage vers le rouge gravitationnels en jeu dans un nouveau cadre cosmique.

L'intrigant système connu sous le nom de 4U 1916-053 contient deux étoiles sur une orbite remarquablement proche. L'un est le noyau d'une étoile dont les couches externes ont été arrachées, laissant une étoile beaucoup plus dense que le Soleil. L'autre est une étoile à neutrons, un objet encore plus dense créé lorsqu'une étoile massive s'effondre dans une explosion de supernova. L'étoile à neutrons (grise) est représentée dans cette impression d'artiste au centre d'un disque de gaz chaud arraché à sa compagne (étoile blanche à gauche).

Ces deux étoiles compactes n'ont qu'environ 215, 000 milles l'un de l'autre, à peu près la distance entre la Terre et la Lune. Alors que la Lune orbite autour de notre planète une fois par mois, l'étoile compagne dense dans 4U 1916-053 tourne autour de l'étoile à neutrons et complète une orbite complète en seulement 50 minutes.

Dans le nouvel ouvrage sur 4U 1916-053, l'équipe a analysé les spectres de rayons X, c'est-à-dire les quantités de rayons X à différentes longueurs d'onde—de Chandra. Ils ont trouvé la signature caractéristique de l'absorption de la lumière des rayons X par le fer et le silicium dans les spectres. Dans trois observations distinctes avec Chandra, les données montrent une forte baisse de la quantité détectée de rayons X à proximité des longueurs d'onde où les atomes de fer ou de silicium devraient absorber les rayons X. L'un des spectres montrant l'absorption par le fer (les creux à gauche et à droite) est inclus dans le graphique principal. Un graphique supplémentaire montre un spectre avec absorption par le silicium. Dans les deux spectres, les données sont affichées en gris et un modèle informatique en rouge.

Cependant, les longueurs d'onde de ces signatures caractéristiques du fer et du silicium ont été décalées vers plus, ou des longueurs d'onde plus rouges par rapport aux valeurs de laboratoire trouvées ici sur Terre (indiquées en bleu, ligne verticale pour chaque signature d'absorption). Les chercheurs ont découvert que le décalage des caractéristiques d'absorption était le même dans chacune des trois observations de Chandra, et qu'il était trop grand pour être expliqué par un mouvement loin de nous. Au lieu de cela, ils ont conclu qu'il était causé par un décalage vers le rouge gravitationnel.

Comment cela se connecte-t-il avec la relativité générale et le GPS ? Comme le prédit la théorie d'Einstein, les horloges sous la force de gravité fonctionnent à un rythme plus lent que les horloges vues d'une région éloignée connaissant une gravité plus faible. Cela signifie que les horloges sur Terre observées à partir de satellites en orbite fonctionnent à un rythme plus lent. Pour avoir la haute précision nécessaire au GPS, cet effet doit être pris en compte ou il y aura de petites différences dans le temps qui s'additionneraient rapidement, calculer des positions inexactes.

Tous types de lumière, y compris les rayons X, sont également affectés par la gravité. Une analogie est celle d'une personne qui monte un escalier roulant qui descend. Pendant qu'ils font cela, la personne perd plus d'énergie que si l'escalier roulant était à l'arrêt ou en montée. La force de gravité a un effet similaire sur la lumière, où une perte d'énergie donne une fréquence plus basse. Parce que la lumière dans le vide voyage toujours à la même vitesse, la perte d'énergie et de fréquence inférieure signifie que la lumière, incluant les signatures du fer et du silicium, passer à des longueurs d'onde plus longues.

C'est la première preuve solide que les signatures d'absorption sont déplacées vers des longueurs d'onde plus longues par gravité dans une paire d'étoiles qui a soit une étoile à neutrons, soit un trou noir. Des preuves solides de décalages vers le rouge gravitationnels dans l'absorption ont déjà été observées à la surface des naines blanches, avec des décalages de longueur d'onde typiquement seulement environ 15 % de celui de 4U 1916-053.

Les scientifiques disent qu'il est probable qu'une atmosphère gazeuse recouvrant le disque près de l'étoile à neutrons (indiquée en bleu) a absorbé les rayons X, produire ces résultats. (Cette atmosphère n'est pas liée au renflement de gaz rouge dans la partie externe du disque qui bloque la lumière de la partie interne du disque une fois par orbite.) La taille du décalage dans les spectres a permis à l'équipe de calculer à quelle distance cette atmosphère est loin de l'étoile à neutrons, en utilisant la Relativité Générale et en supposant une masse standard pour l'étoile à neutrons. Ils ont trouvé que l'atmosphère est située à 1, 500 miles de l'étoile à neutrons, environ la moitié de la distance de Los Angeles à New York et équivalent à seulement 0,7% de la distance de l'étoile à neutrons au compagnon. Il s'étend probablement sur plusieurs centaines de kilomètres de l'étoile à neutrons.

Dans deux des trois spectres, il existe également des preuves de signatures d'absorption qui ont été décalées vers des longueurs d'onde encore plus rouges, correspondant à une distance de seulement 0,04 % de la distance de l'étoile à neutrons au compagnon. Cependant, ces signatures sont détectées avec moins de confiance que celles plus éloignées de l'étoile à neutrons.

Les scientifiques se sont vu accorder un temps d'observation supplémentaire à Chandra au cours de l'année à venir pour étudier ce système plus en détail.

Un article décrivant ces résultats a été publié le 10 août numéro 2020 du Journal d'astrophysique .