Une équipe internationale d'astrophysiciens dirigée par le professeur australien Matthew Bailes, du Centre d'excellence de l'ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), a montré de nouvelles preuves passionnantes du « traînement du cadre » – comment la rotation d'un corps céleste tord l'espace et le temps – après avoir suivi l'orbite d'une paire d'étoiles exotiques pendant près de deux décennies. Les données, ce qui est une preuve supplémentaire de la théorie de la relativité générale d'Einstein, est publié aujourd'hui la revue Science .

Il y a plus d'un siècle, Albert Einstein a publié sa théorie emblématique de la relativité générale, selon laquelle la force de gravité découle de la courbure de l'espace et du temps et que les objets, comme le Soleil et la Terre, changer cette géométrie. Les progrès de l'instrumentation ont conduit à un afflux de données scientifiques récentes (prix Nobel) à partir de phénomènes plus lointains liés à la relativité générale. La découverte des ondes gravitationnelles a été annoncée en 2016; la première image d'une ombre de trou noir et d'étoiles en orbite autour du trou noir supermassif au centre de notre propre galaxie a été publiée l'année dernière.

Il y a presque 20 ans, une équipe dirigée par le professeur Bailes de l'Université de technologie de Swinburne, directeur du Centre d'excellence de l'ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), a commencé à observer deux étoiles tournant l'une autour de l'autre à des vitesses étonnantes avec le radiotélescope CSIRO Parkes de 64 mètres. L'un est une naine blanche, la taille de la Terre mais 300, 000 fois sa densité; l'autre est une étoile à neutrons qui, alors que seulement 20 kilomètres de diamètre, est environ 100 milliards de fois la densité de la Terre. Le système, qui a été découvert à Parkes, est un système d'émerveillement relativiste qui porte le nom de "PSR J1141-6545".

Avant que l'étoile n'explose (devienne une étoile à neutrons), il y a environ un million d'années, il a commencé à gonfler, rejetant son noyau externe qui est tombé sur la naine blanche à proximité. Cette chute de débris a fait tourner la naine blanche de plus en plus vite, jusqu'à ce que son jour n'ait été mesuré qu'en termes de minutes.

En 1918 (trois ans après la publication de sa Théorie par Einstein), Les mathématiciens autrichiens Josef Lense et Hans Thirring ont réalisé que si Einstein avait raison, tous les corps en rotation devraient « traîner » avec eux le tissu même de l'espace-temps. Dans la vie de tous les jours, l'effet est minuscule et presque indétectable. Au début de ce siècle, la première preuve expérimentale de cet effet a été observée dans des gyroscopes en orbite autour de la Terre, dont l'orientation a été entraînée dans la direction de la rotation de la Terre. Une naine blanche qui tourne rapidement, comme celui du PSR J1141-6545, traîne l'espace-temps 100 millions de fois plus fort !

Un pulsar en orbite autour d'une telle naine blanche présente une opportunité unique d'explorer la théorie d'Einstein dans un nouveau régime ultra-relativiste.

Auteur principal de la présente étude, Le Dr Vivek Venkatraman Krishnan (de l'Institut Max Planck de radioastronomie – MPIfR) s'est vu confier la tâche peu enviable de démêler tous les effets relativistes concurrents en jeu dans le système dans le cadre de son doctorat. à l'Université de technologie de Swinburne. Il remarqua qu'à moins qu'il ne permette un changement graduel de l'orientation du plan de l'orbite, La Relativité Générale n'avait aucun sens.

Le Dr Paulo Friere de MPIfR s'est rendu compte que le déplacement du cadre de l'orbite entière pouvait expliquer leur orbite d'inclinaison et l'équipe présente des preuves convaincantes à l'appui dans l'article de journal d'aujourd'hui - cela montre que la relativité générale est bien vivante, présentant encore une autre de ses nombreuses prédictions.

Le résultat est particulièrement agréable pour les membres de l'équipe Bailes, Willem van Straten (Auckland University of Tech) et Ramesh Bhat (ICRAR-Curtin) qui se rendent au télescope Parkes 64m depuis le début des années 2000, cartographier patiemment l'orbite dans le but ultime d'étudier l'univers d'Einstein. « Cela fait que toutes les nuits tardives et les petits matins valent la peine, " dit Bhat.

Commentaire d'experts :

Auteur principal Vivek Venkatraman Krishnan, Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) :« Au début, la paire stellaire semblait présenter bon nombre des effets classiques prédits par la théorie d'Einstein. Nous avons alors remarqué un changement progressif de l'orientation du plan de l'orbite."

"Les pulsars sont des horloges cosmiques. Leur stabilité de rotation élevée signifie que tout écart par rapport à l'heure d'arrivée prévue de ses impulsions est probablement dû au mouvement du pulsar ou aux électrons et aux champs magnétiques rencontrés par les impulsions. La synchronisation des pulsars est une technique puissante où nous utiliser les horloges atomiques des radiotélescopes pour estimer l'heure d'arrivée des impulsions du pulsar avec une très grande précision.Le mouvement du pulsar dans son orbite module l'heure d'arrivée, permettant ainsi sa mesure.

Dr Paulo Freire :« Nous avons postulé que cela pourrait être, au moins en partie, en raison de ce que l'on appelle le « traînement du cadre » auquel toute matière est soumise en présence d'un corps en rotation, comme l'avaient prédit les mathématiciens autrichiens Lense et Thirring en 1918. »

Professeur Thomas Tauris, Université d'Aarhus :"Dans une paire stellaire, la première étoile à s'effondrer tourne souvent rapidement en raison du transfert de masse ultérieur de son compagnon. Les simulations de Tauris ont permis de quantifier l'ampleur de la rotation de la naine blanche. Dans ce système, l'orbite entière est entraînée par la rotation de la naine blanche, qui est désaligné avec l'orbite."

Dr Norbert Wex, Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) :« L'une des premières confirmations de frame-drag a utilisé quatre gyroscopes dans un satellite en orbite autour de la Terre, mais dans notre système, les effets sont 100 millions de fois plus forts."

Evan Keane (SKA Organisation) :« Les pulsars sont des super horloges dans l'espace. Les super horloges dans des champs gravitationnels puissants sont les laboratoires de rêve d'Einstein. Nous avons étudié l'une des plus inhabituelles d'entre elles dans ce système stellaire binaire. le pulsar comme les tics d'une horloge, nous pouvons voir et démêler de nombreux effets gravitationnels lorsqu'ils modifient la configuration orbitale, et l'heure d'arrivée des impulsions d'horloge. Dans ce cas, nous avons vu la précession de Lens-Thirring, une prédiction de la Relativité Générale, pour la première fois dans un système stellaire."

Willem van Straten (AUT) :« Après avoir écarté une série d'erreurs expérimentales potentielles, nous avons commencé à soupçonner que l'interaction entre la naine blanche et l'étoile à neutrons n'était pas aussi simple qu'on l'avait supposé jusqu'à présent."