Au cœur de chaque étoile naine blanche - l'objet stellaire dense qui reste après qu'une étoile a brûlé sa réserve de carburant de gaz alors qu'elle approche de la fin de son cycle de vie - se trouve une énigme quantique :alors que les naines blanches ajoutent de la masse, ils rétrécissent en taille, jusqu'à ce qu'ils deviennent si petits et si compacts qu'ils ne peuvent plus se maintenir, s'effondrer en une étoile à neutrons.

Cette relation déroutante entre la masse et la taille d'une naine blanche, appelé relation masse-rayon, a été théorisé pour la première fois par l'astrophysicien lauréat du prix Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar dans les années 1930. Maintenant, une équipe d'astrophysiciens de Johns Hopkins a développé une méthode pour observer le phénomène lui-même à l'aide de données astronomiques collectées par le Sloan Digital Sky Survey et d'un ensemble de données récent publié par le Gaia Space Observatory. Les ensembles de données combinés ont fourni plus de 3, 000 naines blanches à étudier par l'équipe.

Un rapport de leurs conclusions, dirigé par Hopkins senior Vedant Chandra, est maintenant sous presse en Journal d'astrophysique et disponible en ligne sur arXiv.

"La relation masse-rayon est une combinaison spectaculaire de la mécanique quantique et de la gravité, mais c'est contre-intuitif pour nous - nous pensons que lorsqu'un objet gagne de la masse, ça devrait grossir, " dit Nadia Zakamska, professeur agrégé au Département de physique et d'astronomie qui a supervisé les étudiants chercheurs. « La théorie existe depuis longtemps, mais ce qui est remarquable, c'est que l'ensemble de données que nous avons utilisé est d'une taille et d'une précision sans précédent. Ces méthodes de mesure, qui dans certains cas ont été développés il y a des années, tout d'un coup, ça marche tellement mieux et ces vieilles théories peuvent enfin être sondées."

L'équipe a obtenu ses résultats en utilisant une combinaison de mesures, incluant principalement l'effet de décalage vers le rouge gravitationnel, qui est le changement de longueurs d'onde de la lumière du bleu au rouge lorsque la lumière s'éloigne d'un objet. C'est un résultat direct de la théorie de la relativité générale d'Einstein.

"Tome, la beauté de ce travail est que nous apprenons tous ces théories sur la façon dont la lumière sera affectée par la gravité à l'école et dans les manuels, mais maintenant nous voyons réellement cette relation dans les étoiles elles-mêmes, " dit Hsiang-Chih Hwang, étudiant diplômé de cinquième année, qui a proposé l'étude et a d'abord reconnu l'effet de décalage vers le rouge gravitationnel dans les données.

L'équipe a également dû expliquer comment le mouvement d'une étoile dans l'espace pouvait affecter la perception de son décalage vers le rouge gravitationnel. Semblable à la façon dont une sirène de camion de pompiers change de tonalité en fonction de son mouvement par rapport à la personne qui écoute, les fréquences lumineuses changent également en fonction du mouvement de l'objet électroluminescent par rapport à l'observateur. C'est ce qu'on appelle l'effet Doppler, et est essentiellement un "bruit" distrayant qui complique la mesure de l'effet de décalage vers le rouge gravitationnel, dit Sihao Cheng, contributeur à l'étude, un étudiant diplômé de quatrième année.

Pour tenir compte des variations causées par l'effet Doppler, l'équipe a classé les naines blanches dans leur échantillon par rayon. Ils ont ensuite fait la moyenne des décalages vers le rouge d'étoiles de taille similaire, déterminer efficacement que peu importe où se trouve une étoile elle-même ou où elle se déplace par rapport à la Terre, on peut s'attendre à ce qu'il ait un décalage vers le rouge gravitationnel intrinsèque d'une certaine valeur. Considérez cela comme une mesure moyenne de tous les pas de tous les camions de pompiers se déplaçant dans une zone donnée à un moment donné - vous pouvez vous attendre à ce que tout camion de pompiers, peu importe dans quelle direction il se déplace, aura une hauteur intrinsèque de cette valeur moyenne.

Ces valeurs de décalage vers le rouge gravitationnelles intrinsèques peuvent être utilisées pour étudier les étoiles observées dans les futurs ensembles de données. Les chercheurs affirment que les ensembles de données à venir, plus volumineux et plus précis, permettront d'affiner davantage leurs mesures, et que ces données peuvent contribuer à l'analyse future de la composition chimique des naines blanches.

Ils disent également que leur étude représente une avancée passionnante de la théorie aux phénomènes observés.

"Parce que l'étoile devient plus petite à mesure qu'elle devient plus massive, l'effet de redshift gravitationnel augmente également avec la masse, " dit Zakamska. " Et c'est un peu plus facile à comprendre - il est plus facile de sortir d'un environnement moins dense, objet plus gros qu'il ne l'est pour sortir d'un plus massif, objet plus compact. Et c'est exactement ce que nous avons vu dans les données."

L'équipe trouve même des publics captifs pour leurs recherches à la maison, où ils ont mené leur travail au milieu de la pandémie de coronavirus.

"La façon dont je l'ai exalté à mon grand-père est, vous voyez essentiellement la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein se réunir pour produire ce résultat, " dit Chandra. " Il était très excité quand je l'ai dit de cette façon. "