La théorie de la relativité générale d'Einstein a résisté à 100 ans d'examen expérimental. Cependant, ces tests ne limitent pas la capacité des champs gravitationnels très puissants produits par la fusion des étoiles à neutrons à obéir à cette théorie. Nouveau, des techniques plus sophistiquées peuvent désormais rechercher des écarts par rapport à la relativité générale avec une sensibilité sans précédent. Les scientifiques des instituts Max Planck de physique gravitationnelle et de radioastronomie ont étudié deux outils de premier plan pour tester le régime de gravité en champ fort - la synchronisation des pulsars et les observations d'ondes gravitationnelles - et ont démontré comment la combinaison de ces méthodes peut mettre des théories alternatives de la relativité générale au test.

Seulement récemment, les étoiles à neutrons ont été observées grâce aux ondes gravitationnelles. Le 17 août, 2017, le réseau de détecteurs LIGO-Virgo a mesuré les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons. Ces objets exotiques sont constitués d'une matière incroyablement dense; une étoile à neutrons typique pèse jusqu'à deux fois plus que notre Soleil mais a un diamètre de seulement 20 kilomètres. Cette année marque le 50e anniversaire de la première observation d'étoiles à neutrons, comme pulsars. La nature précise d'une matière aussi dense est restée un mystère pendant des décennies.

Les auteurs ont étudié les théories de la gravité dans lesquelles les forts champs gravitationnels dans les étoiles à neutrons diffèrent de ceux prédits par la relativité générale. Cette déviation de champ fort amène les systèmes binaires à émettre de l'énergie et à fusionner plus rapidement qu'en relativité générale – un comportement qui devrait être observé dans les observations d'étoiles à neutrons.

"L'accélération gravitationnelle à la surface d'une étoile à neutrons est d'environ 2 × 1011 fois celle de la Terre, ce qui en fait d'excellents objets pour étudier la relativité générale d'Einstein et les théories alternatives dans le régime des champs forts, " explique le Dr Lijing Shao, auteur principal de l'étude. "Dans une enquête systématique avec des technologies de synchronisation des pulsars, nous avons pu mettre des contraintes sur une classe de théories alternatives de la gravité montrant pour la première fois en détail comment elles dépendent de la physique de la matière extrêmement dense qu'elles contiennent. encore incertain.

Shao, qui était post-doctorant au Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) lorsqu'il a travaillé sur le projet et écrit l'article, a été transféré au Max Planck Institute for Radio Astronomy en septembre 2017. Lui et ses collègues ont étudié onze possibles. équations d'état pour cinq systèmes binaires-pulsars, chacun d'eux une combinaison d'une étoile à neutrons et d'une naine blanche. Ils ont découvert que les meilleures contraintes actuelles sur la gravité modifiée des pulsars binaires ont des lacunes que les détecteurs d'ondes gravitationnelles pourraient combler. "Au cours de la deuxième période d'observation, LIGO et Virgo ont déjà prouvé qu'ils sont suffisamment sensibles pour détecter les étoiles à neutrons binaires, et leur sensibilité s'améliorera encore dans les prochaines années lorsque la configuration Advanced LIGO et Virgo sera atteinte, " dit le doctorant Noah Sennett, deuxième auteur de l'article. "Les détecteurs LIGO-Virgo pourraient bientôt découvrir des systèmes d'étoiles à neutrons binaires avec des masses appropriées qui pourraient améliorer les contraintes imposées par les tests de pulsar binaire pour certaines équations d'état et ainsi mettre la relativité générale d'Einstein et les théories alternatives à un test qualitativement nouveau, " dit le professeur Alessandra Buonanno, directeur de la division Astrophysical and Cosmological Relativity à l'AEI de Potsdam et co-auteur de l'article.

Les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles comme le télescope Einstein amélioreront encore ces tests et finiront par combler l'écart dans les contraintes actuelles. Des tests complémentaires de gravité à champ fort deviendront une réalité dans un avenir proche.