À ce jour, la théorie de la relativité générale d’Einstein a peut-être résisté à de nombreux tests, mais cela ne signifie pas qu’elle est infaillible – ou que les scientifiques devraient cesser d’essayer de la tester. Chaque fois que la théorie se vérifie, nous apprenons quelque chose de précieux sur l’Univers.
En 2012, la découverte d’un nouveau système stellaire promettait d’être un nouveau terrain d’essai. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs a prouvé qu’il correspondait parfaitement à la théorie d’Einstein.
Baptisé PSR J0337+1715 et situé à quelque 4 200 années-lumière de nous, dans la constellation du Taureau, il s’agit d’un système triple. Son intérêt en tant que test de la relativité remonte à Galilée, au XVIe siècle, lorsqu’il a démontré le principe d’équivalence, fondamental pour la relativité générale.
C’est un concept célèbre, bien que les historiens s’accordent à dire qu’ il s’agissait d’une expérience de pensée qui n’a pas eu lieu. L’histoire raconte que Galilée a lâché deux boules faites de matériaux différents du haut de la tour de Pise et a observé qu’elles atteignaient le sol en même temps.
La preuve en a été faite – simplifiée et formalisée dans la loi de la gravitation universelle d’Isaac Newton – que l’accélération d’une masse due à la gravitation est indépendante de la masse elle-même.
La preuve en a été faite de manière spectaculaire en 1971, lorsque l’astronaute Dave Scott a lâché simultanément un marteau et une plume alors qu’il se trouvait sur la Lune. Sans résistance de l’air pour ralentir la plume, les deux objets sont tombés à la surface de la Lune à la même vitesse.
OK, revenons à PSR J0337+1715. Ces tests précédents ont démontré avec succès une version faible du principe d’équivalence. Mais, d’après la relativité générale, ce principe devrait s’appliquer même à des masses énormes, et même dans le champ gravitationnel tridimensionnel de l’espace.
Et c’est là que la relativité générale est une aberration.
“Toutes les autres théories de la gravité, hormis la relativité générale, prévoient que le principe d’équivalence forte échoue à un certain niveau”, a déclaré le chercheur Scott Ransom, du National Radio Astronomy Observatory, dans un entretien accordé à New Scientist en juillet de l’année dernière.
Le système se compose de trois étoiles mortes, ou en fin de vie. Deux d’entre elles sont des naines blanches – de petits restes très denses et très chauds de noyaux stellaires, laissés après l’effondrement d’une géante rouge.
La troisième est un pulsar, une étoile à neutrons extrêmement dense, en rotation rapide, qui émet un faisceau de rayonnement électromagnétique avec une incroyable régularité lorsqu’elle tourne sur son axe, comme un phare cosmique très rapide. Elle est également beaucoup plus lourde que les naines blanches qui l’accompagnent.
Les impulsions de l’étoile à neutrons étant très régulières (la période entre les éclairs n’est que de 2,73 millisecondes), les astronomes peuvent utiliser toute variation dans la synchronisation pour évaluer précisément son orbite. Si les éclairs ralentissent ou accélèrent, cela signifie que l’étoile se déplace par rapport à la Terre.
C’est ainsi que les naines blanches ont été découvertes. Les trois étoiles exercent une attraction gravitationnelle les unes sur les autres, ce qui déforme l’orbite du pulsar. L’étoile à neutrons et l’une des naines blanches sont assez proches l’une de l’autre, tandis que la seconde naine blanche est plus élo ignée.
Selon le principe d’équivalence forte, ce ne sont pas seulement les matériaux qui devraient accélérer au même rythme, mais aussi l’énergie liée aux champs gravitationnels. Les corps de forte masse devraient donc “tomber” au même rythme que les corps de faible masse.
Si vous considérez l’étoile à neutrons comme le marteau et la naine blanche intérieure comme la plume dans la démonstration de Scott, c’est une analogie décente pour un test du principe d’équivalence fort. Les trois étoiles “tombent ” autour du champ gravitationnel de l’autre.
Si le pulsar devait se déplacer plus rapidement que la naine blanche intérieure vers la naine blanche extérieure, son orbite deviendrait plus elliptique.
Il s’avère que cela ne s’est pas produit.
La naine blanche interne et le pulsar ont eu des accélérations identiques, à 0,16 millième de pour cent près, ce qui nous a permis d’obtenir une démonstration épique et à grande échelle du principe d’équivalence. Et une fois de plus, les travaux d’Einstein ont tenu bon.
L’équipe a présenté ses recherches lors de la 231e réunion de l’American Astronomical Society au début du mois.