Une des prédictions de la théorie générale de la relativité d’Einstein est que tout corps en rotation traîne avec lui le tissu même de l’espace-temps dans son voisinage. Ceci est connu sous le nom de « traînage de cadre ».
Dans la vie de tous les jours, le glissement de cadre est à la fois indétectable et sans conséquence, car l’effet est si ridiculement minuscule. La détection de la traînée de trame causée par le spin de la Terre entière nécessite des satellites tels que la sonde gravitationnelle B de 750 millions de dollars américains et la détection de changements angulaires dans les gyroscopes équivalant à un degré tous les 100 000 ans environ.
Heureusement pour nous, l’Univers contient de nombreux laboratoires gravitationnels naturels où les physiciens peuvent observer les prédictions d’Einstein à l’œuvre avec des détails exquis. Les recherches de notre équipe, publiées aujourd’hui dans Science, révèlent des preuves de traînée de cadre à une échelle beaucoup plus notable, à l’aide d’un radiotélescope et d’une paire unique d’étoiles compactes qui tournent l’une autour de l’autre à des vitesses vertigineuses.
Le mouvement de ces étoiles aurait rendu les astronomes perplexes à l’époque de Newton, car elles se déplacent clairement dans un espace-temps déformé, et nécessitent la théorie générale de la relativité d’Einstein pour expliquer leurs trajectoires.
La relativité générale est le fondement de la théorie gravitationnelle moderne. Il explique le mouvement précis des étoiles, des planètes et des satellites, et même l’écoulement du temps. L’une de ses prédictions les moins connues est que les corps en rotation traînent l’espace-temps avec eux. Plus un objet tourne vite et plus il est massif, plus la traînée est puissante.
Un type d’objet pour lequel cela est très pertinent s’appelle une naine blanche. Ce sont les noyaux restants d’étoiles mortes qui étaient autrefois plusieurs fois la masse de notre Soleil, mais qui ont depuis épuisé leur carburant hydrogène. Ce qui reste est de taille similaire à la Terre, mais des centaines de milliers de fois plus massif. Les naines blanches peuvent également tourner très rapidement, tournant toutes les minutes ou deux, plutôt que toutes les 24 heures comme le fait la Terre.
La traînée de trame causée par une telle naine blanche serait à peu près 100 millions de fois plus puissante que celle de la Terre.
C’est bien, mais nous ne pouvons pas voler vers une naine blanche et lancer des satellites autour d’elle. Heureusement, cependant, la nature est gentille avec les astronomes et a sa propre façon de nous permettre de les observer, via des étoiles en orbite appelées pulsars.
Il y a vingt ans, le radiotélescope de Parkes du CSIRO a découvert une paire stellaire unique composée d’une naine blanche (environ la taille de la Terre mais environ 300 000 fois plus lourde) et d’un pulsar radio (juste la taille d’une ville mais 400 000 fois plus lourd).
Par rapport aux naines blanches, les pulsars sont dans une autre ligue. Ils ne sont pas constitués d’atomes conventionnels, mais de neutrons serrés les uns contre les autres, ce qui les rend incroyablement denses. De plus, le pulsar de notre étude tourne 150 fois par minute.
Cela signifie que, 150 fois par minute, un « faisceau phare » d’ondes radio émises par ce pulsar passe devant notre point de vue ici sur Terre. Nous pouvons l’utiliser pour cartographier la trajectoire du pulsar lorsqu’il orbite autour de la naine blanche, en chronométrant le moment où son impulsion arrive à notre télescope et en connaissant la vitesse de la lumière. Cette méthode a révélé que les deux étoiles orbitent l’une autour de l’autre en moins de 5 heures.
Cette paire, officiellement appelée PSR J1141-6545, est un laboratoire gravitationnel idéal. Depuis 2001, nous nous rendons à Parkes plusieurs fois par an pour cartographier l’orbite de ce système, qui présente une multitude d’effets gravitationnels Einsteiniens.
Cartographier l’évolution des orbites n’est pas pour les impatients, mais nos mesures sont ridiculement précises. Bien que PSR J1141-6545 soit à plusieurs centaines de quadrillions de kilomètres (un quadrillion est un million de milliards), nous savons que le pulsar tourne 2,5387230404 fois par seconde, et que son orbite dégringole dans l’espace. Cela signifie que le plan de son orbite n’est pas fixe, mais tourne lentement.
Comment ce système s’est-il formé ?
Lorsque des paires d’étoiles naissent, la plus massive meurt en premier, créant souvent une naine blanche. Avant que la deuxième étoile ne meure, elle transfère de la matière à sa compagne naine blanche. Un disque se forme lorsque ce matériau tombe vers la naine blanche, et au cours de dizaines de milliers d’années, il fait tourner la naine blanche, jusqu’à ce qu’elle tourne toutes les quelques minutes.
Dans de rares cas comme celui-ci, la deuxième étoile peut alors exploser en supernova, laissant derrière elle un pulsar. La naine blanche qui tourne rapidement entraîne l’espace-temps avec elle, faisant basculer le plan orbital du pulsar au fur et à mesure qu’il est entraîné. Ce basculement est ce que nous avons observé à travers notre cartographie patiente de l’orbite du pulsar.
Einstein lui-même pensait que beaucoup de ses prédictions sur l’espace et le temps ne seraient jamais observables. Mais ces dernières années ont vu une révolution dans l’astrophysique extrême, notamment la découverte d’ondes gravitationnelles et l’imagerie d’une ombre de trou noir avec un réseau mondial de télescopes. Ces découvertes ont été faites par des installations d’un milliard de dollars.
Heureusement, il y a encore un rôle dans l’exploration de la relativité générale pour les radiotélescopes vieux de 50 ans comme celui de Parkes, et pour les campagnes de patients menées par des générations d’étudiants diplômés.