L’étude d’un pulsar confirme l’une des prédictions de la relativité générale

Plus de cent ans après sa publication en 1916, la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein continue de passer avec succès tous les tests auxquels elle est confrontée. Après avoir confirmé ses prédictions en situation réelle aux abords d’un trou noir supermassif, les astrophysiciens ont souhaité l’éprouver, cette fois-ci, dans le cadre des propriétés très particulières des pulsars. Et encore une fois, les résultats d’observation ont confirmé une autre de ses prédictions.

Après 14 ans passés à regarder un pulsar particulier, les astronomes ont une nouvelle fois confirmé la théorie de la relativité générale d’Einstein dans un article paru dans la revue Science.

PSR J1906+0746, un pulsar situé à 25’000 années-lumière de distance, vacille légèrement en tournant. C’est ce qu’on appelle la précession, un phénomène prédit par la relativité générale qui n’a été observé que dans très peu de pulsars.

Les nouvelles découvertes pourraient nous aider à fixer une limite au nombre de pulsars binaires dans la galaxie, nous permettant ainsi de déterminer le taux attendu de collisions binaires d’étoiles à neutrons. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide avec des jets d’ondes radio émises par leurs pôles magnétiques. Lorsqu’ils tournent, ces faisceaux peuvent balayer la Terre, selon l’orientation de l’étoile : un peu comme un phare.

Pulsars et relativité générale : la précession axiale

Ils sont également incroyablement précis, avec des rotations prévisibles jusqu’à une milliseconde. Ces pulsars dits millisecondes peuvent rythmer un temps si précis qu’ils pourraient guider la navigation future dans l’espace. Mais même la majorité des pulsars — ceux qui n’ont pas ce niveau de précision — sont toujours utiles, en particulier pour les tests de relativité générale. En effet, selon la relativité générale, les pulsars dans les systèmes binaires devraient présenter une légère ondulation axiale. C’est la précession axiale.

Comme les étoiles à neutrons sont ultra denses — 1.4 fois la masse du Soleil, regroupées dans un noyau stellaire de 20 kilomètres de diamètre — leur intensité gravitationnelle devrait déformer l’espace-temps. Lorsque l’orientation du spin n’est pas correctement alignée avec l’orientation de l’orbite binaire, cela devrait entraîner le spin du pulsar dans une précession axiale. On pense qu’un tel désalignement est dû, par exemple, à une explosion asymétrique de supernova.

Vidéo montrant le pulsar en précession axiale émettant deux faisceaux radio polaires :

Ainsi, alors que le pulsar vacille sur son axe, nous devrions pouvoir détecter des changements dans son profil de pulsation. Lorsque PSR J1906 + 0746 a été découvert en 2004, il montrait deux émissions (faisceaux) distinctes tordues ou polarisées par rotation. Cependant, lorsqu’une équipe d’astronomes dirigée par Gregory Desvignes de l’Institut Max Planck de radioastronomie a analysé les données d’archives recueillies par le radiotélescope de l’observatoire de Parkes, elle n’a trouvé qu’un faisceau.

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Des résultats concordant avec les prédictions de la relativité générale

Pour comprendre ce qui se passait avec leur sujet d’étude, entre 2005 et 2009, avec les radiotélescopes de Nançay et d’Arecibo et entre 2012 et 2018 avec Arecibo, l’équipe a surveillé PSR J1906+0746. Quand ils ont commencé à observer l’étoile en 2005, ils ont vu les deux faisceaux par rotation détectés en 2004. Peu à peu, le faisceau du pôle nord de l’étoile s’est affaibli ; en 2016, il avait complètement disparu.

L’équipe a prédit que les données de polarisation contenaient des informations sur la précession du pulsar. Ils ont modélisé ces données, en les prolongeant de 50 ans, puis en les comparant aux données d’observation du pulsar. Les résultats correspondaient, avec un niveau d’incertitude de seulement 5%, se superposant parfaitement aux prédictions de la relativité générale — ainsi qu’aux prévisions concernant les propriétés de polarisation des pulsars publiées il y a 50 ans par Venkatraman Radhakrishnan et David Cooke.

L’équipe a également réalisé que la ligne de visée de la Terre avait traversé le pôle magnétique du pulsar dans une direction nord-sud, ce qui lui permettait de cartographier le faisceau du pulsar. Cela aide à estimer le nombre d’étoiles à neutrons binaires dans la galaxie, ce qui peut aider à déterminer le nombre de binaires qui devraient entrer en collision, produisant des ondes gravitationnelles.

L’équipe pense que le faisceau sud va également disparaître aux alentours de 2028. Il devrait réapparaître entre 2070 et 2090, tandis que le faisceau nord devrait réapparaître entre 2085 et 2105. « Les pulsars peuvent fournir des tests gravitationnels qui ne peuvent être effectués d’aucune autre manière. Ces résultats en sont un exemple frappant » conclut l’astronome Ingrid Stairs de l’Université de la Colombie-Britannique.

Sources : Nature