La façon dont le tissu de l’espace et du temps tourbillonne dans un remous cosmique autour d’une étoile morte a encore confirmé une autre prédiction de la théorie de la relativité générale d’Einstein, selon une nouvelle étude.
Cette prédiction est un phénomène connu sous le nom de « frame draging », ou effet Lense-Thirring. Elle indique que l’espace-temps tournera autour d’un corps massif en rotation. Par exemple, imaginez que la Terre soit submergée dans du miel. Pendant la rotation de la planète, le miel tourbillonnerait autour d’elle – et il en va de même pour l’espace-temps.
Des expériences menées par des satellites ont détecté un effet Lense-Thirring dans le champ gravitationnel de la Terre en rotation, mais l’effet est extraordinairement faible et, par conséquent, il a été difficile à mesurer. Les objets ayant une masse plus importante et un champ gravitationnel plus puissant, tels que les naines blanches et les étoiles à neutrons, offrent de meilleures chances de voir ce phénomène.
Les scientifiques se sont concentrés sur PSR J1141-6545, un jeune pulsar d’environ 1,27 fois la masse du soleil. Le pulsar est situé entre 10 000 et 25 000 années-lumière de la Terre dans la constellation de la Mouche, qui se trouve près de la célèbre constellation de la Croix du Sud.
Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation rapide qui émet des ondes radio le long de ses pôles magnétiques. (Les étoiles à neutrons sont des cadavres d’étoiles mortes lors d’explosions catastrophiques connues sous le nom de supernovas ; la gravité de ces restes est suffisamment puissante pour écraser les protons avec les électrons afin de former des neutrons).
PSR J1141-6545 fait le tour d’une naine blanche dont la masse est à peu près identique à celle du soleil. Les naines blanches sont les noyaux superdenses d’étoiles mortes de la taille de la Terre qui sont laissées derrière après que les étoiles de taille moyenne ont épuisé leur combustible et se sont débarrassées de leurs couches extérieures. Notre soleil finira un jour par devenir une naine blanche, comme plus de 90 % de toutes les étoiles de notre galaxie.
Le pulsar gravite autour de la naine blanche sur une orbite rapide et serrée de moins de 5 heures, traversant l’espace à environ 1 million de km/h, avec une séparation maximale entre les étoiles à peine plus grande que la taille de notre soleil, a déclaré à Space.com l’auteur principal de l’étude, Vivek Venkatraman Krishnan, astrophysicien à l’Institut Max Planck de radioastronomie à Bonn, en Allemagne.
Les chercheurs ont mesuré le moment où les impulsions du pulsar sont arrivées sur Terre avec une précision de 100 microsecondes sur une période de près de 20 ans, en utilisant les radiotélescopes Parkes et UTMOST en Australie. Cela leur a permis de détecter une dérive à long terme dans la façon dont le pulsar et la naine blanche sont en orbite l’un par rapport à l’autre.
Après avoir éliminé les autres causes possibles de cette dérive, les scientifiques ont conclu qu’elle était le résultat d’un effet Lense-Thirring : La façon dont la naine blanche, qui tourne rapidement, se déplace dans l’espace-temps a fait que l’orbite du pulsar a changé lentement d’orientation au fil du temps. En se basant sur l’effet Lense-Thirring des images, les chercheurs ont calculé que la naine blanche tourbillonne sur son axe environ 30 fois par heure.
Des recherches antérieures ont suggéré que la naine blanche se serait formée avant le pulsar dans ce système binaire. Une prédiction de ces modèles théoriques est que, avant que la supernova formant le pulsar ne se produise, le géniteur du pulsar a déversé près de 20 000 masses de matière terrestre sur la naine blanche au cours d’environ 16 000 ans, augmentant ainsi sa vitesse de rotation.
« Des systèmes comme PSR J1141-6545, où le pulsar est plus jeune que la naine blanche, sont assez rares », a déclaré Venkatraman Krishnan. La nouvelle étude « confirme une hypothèse de longue date sur l’origine de ce système binaire, qui a été proposée il y a plus de deux décennies ».
Les chercheurs ont noté qu’ils ont utilisé l’effet Lense-Thirring pour obtenir des informations sur l’étoile en rotation qui en est la cause. A l’avenir, on pourra, selon eux, utiliser une méthode similaire pour analyser les étoiles à neutrons binaires afin d’en savoir plus sur leur composition interne, « dont nous n’avons pas encore la maîtrise, même après plus de 50 années d’observation », a déclaré Venkatraman Krishnan. « La densité de la matière à l’intérieur d’une étoile à neutrons dépasse de loin ce qui peut être obtenu dans un laboratoire, il y a donc une foule de nouvelles connaissances physiques à apprendre en utilisant cette technique pour doubler les systèmes d’étoiles à neutrons ».
Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne jeudi (30 janvier) dans la revue Science.
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