Une collaboration internationale de scientifiques a enregistré la confirmation la plus précise à ce jour pour l'une des pierres angulaires de la théorie de la relativité générale d'Einstein, « l'universalité de la chute libre ».

La nouvelle recherche montre que la théorie est valable pour les objets fortement auto-gravitaires tels que les étoiles à neutrons. A l'aide d'un radiotélescope, les scientifiques peuvent observer très précisément le signal produit par les pulsars, un type d'étoile à neutrons et tester la validité de la théorie de la gravité d'Einstein pour ces objets extrêmes. En particulier, l'équipe a analysé les signaux d'un pulsar nommé "PSR J0337+1715' enregistré par le grand radiotélescope de Nançay, situé au coeur de la Sologne (France).

Le principe d'universalité de la chute libre stipule que deux corps lâchés dans un champ gravitationnel subissent la même accélération indépendamment de leur composition. Cela a été démontré pour la première fois par Galilée qui aurait fait tomber des objets de masses différentes du haut de la tour de Pise pour vérifier qu'ils atteignent tous les deux le sol simultanément.

Ce principe est également au cœur de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Cependant, quelques indices tels que l'incohérence entre la mécanique quantique et la relativité générale, ou l'énigme de la domination de la matière noire et de l'énergie noire dans la composition de l'Univers, ont conduit de nombreux physiciens à croire que la relativité générale pourrait ne pas être, après tout, la théorie ultime de la gravité.

Les observations de Pulsar J0337+1715, qui est une étoile à neutrons avec un noyau stellaire 1,44 fois la masse du Soleil qui s'est effondré dans une sphère de seulement 25 km de diamètre, montre qu'il orbite autour de deux étoiles naines blanches qui ont un champ de gravité beaucoup plus faible. Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue Astronomie et astrophysique , démontrer que l'universalité du principe de chute libre est correct.

Le Dr Guillaume Voisin de l'Université de Manchester, qui a dirigé la recherche, a déclaré :« Le pulsar émet un faisceau d'ondes radio qui balaie l'espace. À chaque tour, cela crée un éclair de lumière radio qui est enregistré avec une grande précision par le radiotélescope de Nançay. Lorsque le pulsar se déplace sur son orbite, l'heure d'arrivée de la lumière sur Terre est décalée. C'est la mesure précise et la modélisation mathématique, à la nanoseconde près, de ces temps d'arrivée qui permet aux scientifiques de déduire avec une précision exquise le mouvement de l'étoile.

"Par dessus tout, c'est la configuration unique de ce système, apparenté au système Terre-Lune-Soleil avec la présence d'un second compagnon (jouant le rôle du Soleil) vers lequel les deux autres étoiles "tombe" (orbite) qui a permis de réaliser une version stellaire de la célèbre expérience de Galilée depuis Pise la tour. Deux corps de compositions différentes tombent avec la même accélération dans le champ gravitationnel d'un troisième."

"Le pulsar émet un faisceau d'ondes radio qui balaie l'espace. À chaque tour, cela crée un éclair de lumière radio qui est enregistré avec une grande précision par le radiotélescope de Nançay. Au fur et à mesure que le pulsar se déplace sur son orbite, l'heure d'arrivée de la lumière sur Terre est décalée. C'est la mesure précise et la modélisation mathématique, à la nanoseconde près, de ces temps d'arrivée qui permet aux scientifiques d'inférer avec une précision exquise le mouvement de l'étoile, " précise le Dr Guillaume Voisin.

Les mesures ont été enregistrées par une équipe collaborative de l'Université de Manchester, Observatoire de Paris—PSL, le CNRS et le LPC2E (Orléans, La France), et l'Institut Max Planck de radioastronomie. Le pulsar orbite autour de deux étoiles naines blanches, dont l'un tourne autour du pulsar en seulement 1,6 jour à une distance environ 10 fois plus proche du pulsar que la planète Mercure ne l'est du Soleil. Ce système binaire, un peu comme la Terre et la Lune dans le système solaire, orbites avec une troisième étoile, une naine blanche de 40% la masse du Soleil, situé un peu plus loin que la distance séparant le système Terre-Lune du Soleil.

Dans le système solaire, l'expérience de télémétrie lunaire-laser a permis de vérifier que la Lune et la Terre sont affectées de manière identique par le champ de gravité du Soleil, comme prédit par l'universalité de la chute libre (le mouvement orbital est une forme de chute libre). Cependant, il est connu que certains écarts par rapport à l'universalité ne peuvent se produire que pour des objets fortement autogravitaires, comme les étoiles à neutrons, c'est-à-dire des objets dont la masse est significativement constituée de leur propre énergie gravitationnelle grâce à la fameuse relation d'Einstein E=mc2. La nouvelle expérience pulsar réalisée par l'équipe comble le vide laissé par les tests du système solaire où aucun objet n'est fortement auto-gravitant, pas même le Soleil.

L'équipe a démontré que le champ de gravité extrême du pulsar ne peut pas différer de plus de 1,8 partie par million (avec un niveau de confiance de 95 %) de la prédiction de la relativité générale. Ce résultat est la confirmation la plus précise que l'universalité de la chute libre est valable même en présence d'un objet dont la masse est largement due à son propre champ de gravité, soutenant ainsi la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Le papier, "Un test amélioré du principe d'équivalence forte avec le pulsar dans un système à triple étoile, " par Voisin et al, est publié dans Astronomie et astrophysique .