Radio Pulsar prouve que le binaire d’Einstein est correct à au moins 99,99 %

Cela fait plus de cent ans qu’Einstein a formalisé la théorie de la relativité générale (GR), la théorie géométrique de la gravité qui a révolutionné notre compréhension de l’univers. Cependant, les astronomes subissent toujours des tests rigoureux, dans l’espoir de trouver des écarts par rapport à cette théorie bien établie. La raison est simple : chaque indicateur de physique en dehors de GR ouvrira une nouvelle fenêtre sur l’univers et aidera à résoudre certains des mystères les plus profonds de l’univers.

L’un des tests les plus rigoureux jamais réalisés a été récemment mené par une équipe internationale d’astronomes dirigée par Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR) à Bonn, en Allemagne. À l’aide de sept radiotélescopes du monde entier, Kramer et ses collègues ont observé une paire unique de pulsars pendant 16 ans. Dans le processus, ils ont observé les effets prédits par GR pour la première fois, et avec

précision
Dans quelle mesure la valeur mesurée est conforme à la valeur correcte.

“>santé Au moins 99,99 % !

En plus des chercheurs du MPIfR, Kramer et ses collègues ont été rejoints par des chercheurs d’institutions de dix pays différents, dont le Jodrell Bank Center for Astrophysics (Royaume-Uni), l’ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Detection (Australie) et l’Ocean Institute. . Pour la physique théorique (Canada), l’Observatoire de Paris (France), l’Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italie), l’Observatoire sud-africain de radioastronomie (SARAO), l’Institut néerlandais de radioastronomie (ASTRON) et l’Observatoire d’Arecibo.

Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation rapide qui émet un faisceau étroit d’ondes radio. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Les « pulsars radio » sont une classe spéciale d’étoiles à neutrons à rotation rapide et fortement magnétiques. Cet objet ultra-dense émet de puissants faisceaux radio à partir de ses pôles qui (lorsqu’ils sont combinés à sa rotation rapide) créent un puissant effet de lumière parasite. Les astronomes sont fascinés par les pulsars car ils fournissent une mine d’informations sur la physique régissant les objets ultra-petits, les champs magnétiques, le milieu interstellaire (ISM), la physique planétaire et même la cosmologie.

De plus, la forte force gravitationnelle permet aux astronomes de tester les prédictions faites par les théories gravitationnelles telles que GR et Dynamique de Newton modifiée (MOND) dans certaines des conditions les plus difficiles imaginables. Pour leur étude, Kramer et son équipe ont examiné le PSR J0737-3039 A/B, un système “double étoile” situé à 2 400 années-lumière de la Terre à Chiots Constellation.

Ce système est la seule radio

pulsar
Observé pour la première fois aux fréquences radio, un pulsar est une étoile à neutrons en rotation qui émet des impulsions régulières de rayonnement. Les astronomes ont développé trois catégories de pulsars : les pulsars à accrétion, les pulsars à rotation et les pulsars à propulsion nucléaire ; et les ont depuis observés aux énergies des rayons X, optiques et gamma.

“>pulsar jamais binaire et a été découvert en 2003 par des membres de l’équipe de recherche. Les deux pulsars qui composent ce système ont des rotations rapides – 44 fois par seconde (A), une fois toutes les 2,8 secondes (B) – et orbitent l’un autour de l’autre pendant seulement 147 minutes. Bien qu’il soit environ 30% plus grand que le Soleil, il ne mesure qu’environ 24 km (15 mi) de diamètre. D’où sa forte gravité et son champ magnétique puissant.

En plus de ces propriétés, la période orbitale rapide du système en fait un laboratoire presque parfait pour tester la théorie de la gravité. Comme l’a déclaré le professeur Kramer dans un récent communiqué de presse pour MPIfR :

« Nous avons étudié des systèmes stellaires compressés et sommes un laboratoire sans égal pour tester la théorie de la gravité en présence de champs gravitationnels extrêmement forts. Nous sommes heureux d’avoir pu tester la base de la théorie d’Einstein, l’énergie qu’elle transporte.

ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles sont des distorsions ou des ondulations dans le tissu de l’espace et du temps. Ils ont été détectés pour la première fois en 2015 par les détecteurs Advanced LIGO et sont produits par des événements catastrophiques tels que la collision de trous noirs, de supernovae ou la fusion d’étoiles à neutrons.

“>ondes de gravité, avec une précision 25 fois supérieure à celle du pulsar Hulse-Taylor, lauréat du prix Nobel, et 1 000 fois supérieure à ce qui est actuellement possible avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles.”

Champ gravitationnel du trou noir

Vue d’artiste de la trajectoire de l’étoile passante S2 près du Sagittaire A*, qui permet également aux astronomes de tester les prédictions faites par la relativité générale dans des conditions extrêmes. Crédit : ESO/M. Kornmeiser

Sept radiotélescopes ont été utilisés pour la campagne d’observation de 16 ans, dont le radiotélescope Parkes (Australie), le télescope Green Bank (États-Unis), le radiotélescope Nansai (France), le télescope Eiffelberg 100m (Allemagne), le radiotélescope Lovell (Royaume-Uni), Radio Telescope Westerbork Synthesis (Pays-Bas) et Very Long Core Array (États-Unis).

L’observatoire couvre différentes parties du spectre radio, de 334 MHz et 700 MHz à 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz et 2520 MHz. Ce faisant, ils ont pu voir comment les photons émanant de ce pulsar binaire sont affectés par sa forte gravité. Comme l’explique la professeure Ingrid Stiers de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) à Vancouver, l’un des auteurs de l’étude :

« Nous avons suivi la propagation des photons radio émis par l’éruption cosmique, le pulsar, et suivi leur mouvement dans le champ gravitationnel intense du pulsar compagnon. Nous voyons pour la première fois comment la lumière est retardée non seulement par la forte courbure de l’espace- »

Comme l’a ajouté le co-auteur, le professeur Dick Manchester de l’Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth australien (CSIRO), le mouvement orbital rapide d’objets compacts comme celui-ci leur a permis de tester sept prédictions différentes sur la GR. Celles-ci incluent les ondes gravitationnelles, la propagation de la lumière (“retard de Shapiro et courbure de la lumière), la dilatation du temps et l’équation masse-énergie (E = mc).2), et quel effet le rayonnement électromagnétique a-t-il sur le mouvement orbital du pulsar.

Teleskop Robert C. Bird Green Bank

Robert C. Bird Green Bank Telescope (GBT) de Virginie-Occidentale. Crédit : GBO/AUI/NSF

« Ce rayonnement équivaut à une perte collective de 8 millions de tonnes par seconde ! Elle dit. “Bien que cela semble beaucoup, c’est une fraction – 3 parties par mille milliards (!) – de la masse du pulsar par seconde.” Les chercheurs ont également effectué des mesures très précises du changement d’orientation de l’orbite du pulsar, un effet relativiste observé pour la première fois avec l’orbite de Mercure – et l’un des mystères que la théorie GR d’Einstein a aidé à résoudre.

Seulement ici, l’effet est 140 000 fois plus fort, ce qui amène l’équipe à réaliser qu’elle doit également prendre en compte l’effet de la rotation du pulsar sur l’espace-temps environnant – alias. L’effet Lense-Thirring, ou “faire glisser le cadre”. Dr. Norbert Weeks de MPIfR, un autre auteur principal de l’étude, a également fourni une autre percée :

“Cela signifie, d’après notre expérience, que nous devons considérer la structure interne du pulsar comme un

étoile à neutrons
Une étoile à neutrons est le noyau effondré d’une grande étoile (entre 10 et 29 masses solaires). Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses connues. Bien que les étoiles à neutrons aient généralement un rayon de l’ordre de seulement 10 à 20 kilomètres (6 à 12 miles), elles peuvent avoir des masses d’environ 1,3 à 2,5 de celle du Soleil.

“>étoile à neutrons. Par conséquent, nos mesures nous permettent pour la première fois d’utiliser un suivi précis du cycle de l’étoile à neutrons, une technique que nous appelons la synchronisation des pulsars pour imposer des limites à l’extension de l’étoile à neutrons.”

Un autre résultat précieux de l’expérience a été la façon dont l’équipe a combiné des techniques de surveillance complémentaires pour obtenir des mesures de distance de haute précision. Des études similaires ont souvent été entravées par de mauvaises estimations de distance dans le passé. En combinant la technologie de synchronisation des pulsars avec des mesures interférométriques précises (et l’effet ISM), l’équipe a obtenu des résultats haute résolution de 2 400 années-lumière avec une marge d’erreur de 8 %.

De nouvelles observations de collisions d'étoiles à neutrons remettent en question certaines théories existantes

Illustration d’artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les faisceaux étroits représentent les sursauts gamma, tandis que la grille spatio-temporelle ondulante représente les ondes gravitationnelles opposées qui caractérisent la fusion. Crédit : NSF/LIGO/Université d’État de Sonoma/A. Simonet

En fin de compte, non seulement les résultats de l’équipe étaient cohérents avec le GR, mais ils ont également pu voir des effets qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant. Comme le dit Paulo Freire, un autre co-auteur de l’étude (également du MPIfR) :

“Nos résultats complètent d’autres études expérimentales qui testent la gravité dans d’autres conditions ou examinent différents effets, comme le détecteur d’ondes gravitationnelles ou le télescope Event Horizon. Ils complètent également d’autres expériences de pulsars, telles que notre expérience temporelle avec des pulsars dans des systèmes à trois étoiles. , qui fournit un test indépendant (et convaincant) de l’universalité de la chute libre.

“Nous avons atteint un niveau de précision sans précédent”, conclut le professeur Kramer. Les expériences futures avec de plus grands télescopes peuvent et continueront. Nos travaux ont montré la manière dont de telles expériences doivent être menées et quels effets exacts doivent être pris en compte maintenant. Peut-être qu’un jour nous trouverons un écart par rapport à la relativité générale.”

Un article décrivant leurs recherches est récemment paru dans la revue X. examen physiqueEt

Publié à l’origine dans l’univers aujourd’hui.

Pour en savoir plus sur cette recherche :

Référence : « Strong field gravity test using multiple stars » par M. Kramer et al. 13 décembre 2021, X. examen physique.
DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.041050

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