tester la relativité générale

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La théorie de la relativité générale a passé avec succès un test d’une grande sensibilité offert par un système binaire composé d’un pulsar et d’une naine blanche.

La théorie de la relativité générale, développée par Albert Einstein en 1915, a été confrontée à l'expérience à de nombreuses reprises, et n'a jamais été mise en défaut. De nombreuses extensions de cette théorie ont été proposées pour résoudre différentes questions, telle la nature de l’énergie noire. Elles doivent bien sûr rester compatibles avec les tests déjà effectués, et discriminer ces modèles – la relativité générale ou une de ses extensions – nécessite donc des expériences plus précises. Certaines situations extrêmes, où le champ gravitationnel est intense, permettent de mettre en évidence ces différences. John Antoniadis, de l’Institut Max-Planck de Bonn en Allemagne, et ses collègues viennent d'étudier le système binaire comprtant un pulsar PSR J0348+0432. Leurs mesures sont compatibles avec la théorie de la relativité générale, et éliminent certaines extensions.

Dans un système binaire, les deux étoiles, en orbite l’une autour de l’autre, se rapprochent progressivement à cause de la perte d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Ces vibrations de l’espace-temps prévues par la théorie de la relativité générale n'ont jamais été observées directement par des interféromètres géants, telles les expériences Virgo ou Ligo. Mais elles peuvent être mises en évidence indirectement dans certains systèmes binaires : ceux qui contiennent un pulsar.

Les pulsars sont des étoile à neutrons en rotation rapide sur elles-mêmes, qui émettent un faisceau d'ondes radio balayant l'espace comme un phare avec une extrême régularité au cours de la rotation. En mesurant les infimes variations de la périodicité du signal du pulsar, on peut ainsi mesurer avec précision le rapprochement des deux étoiles du système et donc la perte d'énergie liée aux ondes gravitationnelles.

Le système binaire étudié par l’équipe de J. Antoniadis comprend une naine blanche de 0,172 masse solaire et un pulsar d'environ deux masses solaires – ce qui en fait l’étoile à neutrons la plus massive observée – qui tourne sur lui-même en 39 millisecondes. Les étoiles sont distantes de 830 000 kilomètres et tournent l’une autour de l’autre en 2,46 heures. Ces conditions extrêmes permettent de voir si la variation de la période de révolution suit les prévisions de la relativité générale ou d’une de ses extensions (qui prévoient une perte d'énergie plus ou moins rapide via l'émission d'ondes gravitationnelles).

Une trentaine de paramètres caratérisant le système binaire ont ainsi été mesurés par l'équipe de J. Antoniadis. Cette mesure est compatible avec la relativité générale et permet d’éliminer certaines extensions imaginées par les théoriciens.

Au-delà du test de la relativité générale, le système PSR J0348+0432 permet de mieux comprendre l'émission d’ondes gravitationnelles par les systèmes binaires. Des informations potentiellement intéressantes pour les expériences Virgo et Ligo, qui ne pourront cependant pas détecter les ondes gravitationnelles émise par ce système : avec une période de révolution de 2,46 heures, la fréquence des ondes gravitationnelles attendues est de 2,26 x 10-4 hertz, alors que les détecteurs sont sensibles à des fréquences comprises entre 10 hertz et quelques kilohertz. Par ailleurs, la formation d'un tel système pose question. Avec un pulsar aussi massif et si proche d’une naine blanche, les modèles de formation de tels couples d’étoiles touchent à leurs limites.

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