Défier la plus grande théorie d’Einstein dans une expérience de 16 ans – Tester la relativité générale avec des étoiles extrêmes

Les chercheurs ont mené une expérience de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’équipe internationale a observé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars – à travers sept radiotélescopes à travers le monde. Crédit : Institut Max Planck de radioastronomie

Des chercheurs de l’Université d’East Anglia et de l’Université de Manchester ont aidé à mener une expérience de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein.

L’équipe internationale a observé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars – à travers sept radiotélescopes à travers le monde.

Et ils l’ont utilisé pour défier la théorie la plus célèbre d’Einstein avec certains des tests les plus difficiles à ce jour.

L’étude publiée aujourd’hui (13 décembre 2021) dans la revue X. examen physique, révèle de nouveaux effets relativistes qui, bien qu’attendus, sont maintenant observés pour la première fois.

Le Dr Robert Ferdman, de l’École de physique de l’Université d’East Anglia, a déclaré : « Aussi réussie que soit la théorie de la relativité générale d’Einstein, nous savons que ce n’est pas le dernier mot de la théorie de la gravité.

illustration à double pulsation

Les chercheurs ont mené une expérience de 16 ans pour remettre en question la théorie de la relativité générale d’Einstein. L’équipe internationale a observé les étoiles – une paire d’étoiles extrêmes appelées pulsars – à travers sept radiotélescopes à travers le monde. Crédit : Institut Max Planck de radioastronomie

« Plus de 100 ans plus tard, les scientifiques du monde entier poursuivent leurs efforts pour découvrir les failles de sa théorie.

« La relativité générale est incompatible avec les autres forces fondamentales décrites par la mécanique quantique. Il est donc important de continuer à mettre les tests les plus rigoureux possible sur la relativité générale, pour découvrir comment et quand la théorie s’effondre. »

« Trouver un écart par rapport à la relativité générale constituerait une découverte majeure qui ouvrirait une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà de notre compréhension théorique actuelle de l’univers.

« Et cela pourrait éventuellement nous aider à découvrir une théorie unificatrice des forces fondamentales de la nature. »

Dirigée par Michael Kramer de l’Institut Max Planck de radioastronomie à Bonn, en Allemagne, l’équipe internationale de chercheurs de dix pays a mis la théorie d’Einstein à l’épreuve la plus difficile à ce jour.

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Le Dr Ferdman a déclaré : « Un pulsar C’est une étoile magnétisée à spin élevé qui émet des faisceaux de rayonnement électromagnétique à partir de ses pôles magnétiques.

« Ils pèsent plus que notre soleil mais ne mesurent que 15 miles de large – ce sont donc des objets incroyablement denses qui produisent des faisceaux radio qui balayent le ciel comme un phare.

« Nous avons étudié un double pulsar, qui a été découvert par les membres de l’équipe en 2003 et fournit notre laboratoire le plus précis pour tester la théorie d’Einstein. Bien sûr, sa théorie a été conçue lorsque ces types d’étoiles extrêmes ne pouvaient pas être imaginés, ni les techniques utilisées pour étudiez-les.

Un double pulsar se compose de deux pulsars qui tournent l’un autour de l’autre en seulement 147 minutes à une vitesse d’environ un million de km/h. L’un des pulsars tourne très rapidement, environ 44 fois par seconde. Le compagnon est jeune et a une période de rotation de 2,8 secondes. Leur mouvement autour de l’autre peut être utilisé comme un testeur de gravité presque parfait.

Sept radiotélescopes sensibles ont été utilisés pour observer ce double pulsar – en Australie, aux États-Unis, en France, en Allemagne, aux Pays-Bas et au Royaume-Uni (Lovell Radio Telescope).

Le professeur Kramer a déclaré : « Nous avons étudié un système d’étoiles comprimées et c’est un laboratoire sans égal pour tester les théories gravitationnelles en présence de champs gravitationnels très puissants.

« Nous sommes heureux d’avoir pu tester la pierre angulaire de la théorie d’Einstein, l’énergie qu’elle transporte ondes gravitationnelles, 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. »

Non seulement les observations sont cohérentes avec la théorie, a-t-il expliqué, « mais nous avons également pu voir des effets qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant ».

Le professeur Benjamin Stubbers, de l’Université de Manchester, a déclaré : « Le système à double pulsar a été découvert dans le cadre d’une enquête menée conjointement par l’Université de Manchester et nous a fourni le seul exemple connu de deux horloges spatiales permettant une mesure précise de la structure. et l’évolution d’un champ gravitationnel intense.

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Depuis lors, le télescope Lovell de l’observatoire de Jodrell Bank l’observe toutes les deux semaines. Cette longue base d’observations reproductibles de haute qualité a fourni un excellent ensemble de données à combiner avec celles des observatoires du monde entier. »

Le professeur Ingrid Stears de l’Université de la Colombie-Britannique à Vancouver a déclaré : « Nous suivons la propagation des photons radio émis par une balise cosmique, un pulsar, et traçons leur mouvement dans le champ gravitationnel fort d’un pulsar compagnon.

« Nous voyons pour la première fois comment la lumière est retardée non seulement par la forte courbure de l’espace-temps autour d’un compagnon, mais aussi que la lumière est déviée par un petit angle de 0,04 degré que nous pouvons détecter. Une telle expérience n’a jamais été réalisée auparavant dans une si haute courbure de l’espace-temps. »

Le professeur Dick Manchester de l’agence scientifique nationale australienne, CSIRO, a déclaré : « Un mouvement orbital aussi rapide d’objets compacts comme celui-ci – ils sont environ 30 % plus gros que le Soleil mais seulement environ 24 km de diamètre – nous permet de tester de nombreuses prédictions générales différentes. Relativité – sept au total !

« Outre les ondes gravitationnelles et la propagation de la lumière, notre précision nous permet également de mesurer l’effet de « dilatation du temps » qui ralentit les horloges dans les champs gravitationnels.

« Nous devons même prendre la célèbre équation d’Einstein E = mc2 en compte lors de l’examen de l’effet du rayonnement électromagnétique émis par un pulsar en rotation rapide sur le mouvement orbital.

« Ce rayonnement équivaut à une perte collective de 8 millions de tonnes par seconde ! Bien que cela semble beaucoup, c’est une infime fraction – 3 parties par mille milliards (!) – d’une masse de pulsar par seconde. »

Les chercheurs ont également mesuré – avec une précision d’une partie par million (!) – que l’orbite change de direction, un effet relativiste également connu de l’orbite de Mercure, mais ici 140 mille fois plus fort.

Ils se sont rendu compte qu’à ce niveau de précision, ils devaient également prendre en compte l’effet de la rotation du pulsar sur l’espace-temps environnant, qui est « tiré » avec le pulsar.

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Le Dr Norbert Weeks de MPIfR, un autre auteur principal de l’étude, a déclaré : « Les physiciens appellent cela l’effet Lense-Thirring ou la traînée de trame. Dans notre expérience, cela signifie que nous devons considérer la structure interne d’un pulsar comme un étoile à neutrons.

« Par conséquent, nos mesures nous permettent pour la première fois d’utiliser un suivi précis des cycles d’étoiles à neutrons, une technique que nous appelons la synchronisation des pulsars pour fournir des contraintes sur l’extension de l’étoile à neutrons. »

La technologie de synchronisation des pulsars a été combinée aux mesures d’interférométrie précises du système pour déterminer la distance avec une imagerie haute résolution, ce qui a donné une valeur de 2 400 années-lumière avec une marge d’erreur de seulement 8 %.

Le professeur Adam Diller, membre de l’équipe, de l’Université de Swinburne en Australie, qui est responsable de cette partie de l’expérience, a déclaré : « C’est une combinaison de différentes techniques de surveillance complémentaires qui ajoutent à la valeur maximale de l’expérience. Des études similaires ont souvent été entravées dans le passé par une connaissance limitée de la distance de ces systèmes. »

Ce n’est pas le cas ici, où en plus de la synchronisation des pulsars et de l’interférométrie, les informations obtenues à partir des effets du milieu interstellaire ont également été soigneusement prises en compte.

Le professeur Bill Coles de l’Université de Californie à San Diego est d’accord : « Nous avons collecté toutes les informations possibles sur le système et extrait une image parfaitement cohérente, impliquant la physique de nombreux domaines différents, tels que la physique nucléaire, gravitationnelle et interstellaire, plasma Physique et plus. C’est très inhabituel. »

Paulo Freire, également de MPIfR, a déclaré : « Nos résultats complètent bien d’autres études expérimentales qui testent la gravité dans d’autres conditions ou voient différents effets, tels que les détecteurs d’ondes gravitationnelles ou le télescope à horizon des événements.

« Cela complète également d’autres expériences sur les pulsars, telles que notre expérience de chronométrage avec un pulsar dans un système d’étoiles triples, qui a fourni un test indépendant fascinant de l’universalité de la chute libre. »

Le professeur Kramer a ajouté : « Nous avons atteint un niveau de précision sans précédent. Les futures expériences avec de plus grands télescopes pourraient et continueront d’aller plus loin.

« Nos travaux ont montré la manière dont de telles expériences doivent être réalisées et quels effets subtils doivent désormais être pris en compte. Peut-être trouverons-nous un jour un écart par rapport à la relativité générale. »

Référence : « Strong-field Gravity Tests using the double star » par M. Kramer et al. 13 décembre 2021, X. examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevX.11.041050

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