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Une naine blanche observée en train de « traîner » l’espace-temps

Ces 20 dernières années, les deux étoiles d'un système binaire ont servi « d'horloge cosmique » pour tester un phénomène prédit par la relativité générale d'Einstein.

par Becky Ferreira; traduit par Sandra Proutry-Skrzypek
11 Février 2020, 8:23am

Image : pixelparticle/Getty 

En 1918, les physiciens autrichiens Josef Lense et Hans Thirring ont analysé les prédictions de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Ils en ont conclu que si le tissu de l'espace-temps peut être déformé par la gravité, cela signifie qu’il peut aussi être entraîné par des corps en rotation rapide.

Un siècle plus tard, des astronomes ont pu confirmer ce phénomène, connu sous le nom d’effet Lense-Thirring, qui s’est produit dans un système binaire appelé PSR J1141-6545, selon une étude parue dans la revue Science.

« C'est la première preuve de l’effet de Lense-Thirring dans un système binaire, explique Vivek Venkatraman Krishnan, auteur principal de l’étude et physicien à l'Institut Max Planck de radioastronomie. Ce sont des systèmes comportant deux étoiles qui tournent l'une autour de l'autre, contrairement à notre Soleil qui est une étoile solitaire. »

Les astronomes ont découvert le PSR J1141-6545 dans les années 1990 à l’aide du radiotélescope Parkes en Australie. Ils se sont vite rendu compte que c’était un laboratoire naturel très utile pour tester les prédictions d’Einstein. Alors que la théorie prédit que tous les objets en rotation traînent l'espace-temps autour d’eux, l’effet de traînée est plus facile à détecter autour de corps célestes massifs qui tourbillonnent à des vitesses incroyables.

Le système contient un pulsar et une naine blanche, deux types différents d'étoiles mortes. La naine blanche tourne incroyablement vite en raison des interactions passées avec son compagnon, tandis que le pulsar ultra-dense se comporte comme une sorte de gigantesque « horloge cosmique » que les scientifiques utilisent pour mesurer la déformation de l'espace-temps pendant que la naine blanche tourbillonne.

« La période de rotation du Soleil est d'environ 25 jours. C’est trop lent pour provoquer une traînée mesurable, explique Venkatraman Krishnan. « Mais des corps comme les trous noirs, les étoiles à neutrons et les naines blanches – qui sont suffisamment grandes et rapides – peuvent avoir un effet Lense-Thirring mesurable. »

Le PSR J1141-6545 est particulièrement unique car la naine blanche du système s'est formée avant le pulsar, ce qui est l’inverse de la séquence normale pour ces binaires. L'étoile à partir de laquelle le pulsar a été créé était déjà sur son lit de mort il y a environ un million d'années, mais avant qu'elle n'explose dans sa forme super dense actuelle, elle a perdu une grande partie de sa matière extérieure.

Une partie de cette matière stellaire s’est déversée sur la naine blanche, ce qui a propulsé sa rotation à environ trois minutes, contre la moyenne d’un jour plus typique des naines blanches.

Par chance, le compagnon de la naine blanche émet des impulsions de lumière avec un rythme précis – d’où le nom de pulsar – faisant de ces objets des horloges cosmiques incroyablement utiles dans l'espace. Au cours des 20 dernières années, les astronomes ont chronométré les impulsions du PSR J1141-6545 à quelques fractions de seconde près. Cela leur a permis d'observer un déplacement progressif du plan orbital du système de 0,0004 degré par an, ce qui, selon cette étude, est dû à l’effet de traînée généré par la rotation vertigineuse de la naine blanche.

« Nous avons pu le faire parce qu'il y a un pulsar dans le système, explique Venkatraman Krishnan. Les pulsars ont une stabilité de rotation extrême et lorsqu'un de leurs pôles fait face à la Terre, ils nous envoient une impulsion à chaque rotation. Cela peut être utilisé pour cartographier l'orbite du pulsar avec une très grande précision, ce qui n'est tout simplement pas possible avec d'autres étoiles. »

Bien que de faibles effets de Lense-Thirring aient été observés autour de notre propre planète à l’aide de satellites extrêmement sensibles, ce système binaire exotique « induit un effet de traînée qui est 100 millions de fois plus puissant que celui de la Terre », selon Venkatraman Krishnan.

L'équipe espère que cette découverte va encourager d’autres recherches sur ce phénomène d’entraînement dans tout l'univers. Ces recherches pourraient d’ailleurs être facilitées par l’arrivée de nouveaux observatoires radio, comme le télescope MeerKAT en Afrique du Sud.

« L'hémisphère sud a accès à la plus grande portion de plan galactique de notre galaxie, la Voie lactée », explique Venkatraman Krishnan. Ce nouveau télescope « ouvre de nombreuses possibilités pour trouver et observer d'autres systèmes binaires exotiques » qui permettront aux scientifiques de « mieux comprendre les fondamentaux physiques qui régissent notre univers ».

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