L’une des prédictions de la théorie générale de la relativité d’Einstein est que tout corps en rotation entraîne avec lui le tissu même de l’espace-temps dans son voisinage. Ce phénomène est connu sous le nom de « frame-dragging ».

Dans la vie de tous les jours, le frame-dragging est à la fois indétectable et sans conséquence, tant l’effet est ridiculement minuscule. Détecter le frame-dragging causé par la rotation de la Terre entière nécessite des satellites tels que la Gravity Probe B, d’une valeur de 750 millions de dollars US, et la détection de changements angulaires dans les gyroscopes équivalents à seulement 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 dans des détails exquis.

Les recherches de notre équipe, publiées aujourd’hui dans Science, révèlent des preuves de frame-dragging à une échelle beaucoup plus perceptible, à l’aide d’un radiotélescope et d’une paire unique d’étoiles compactes filant l’une autour de l’autre à des vitesses vertigineuses.

Le mouvement de ces étoiles aurait laissé 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. Elle 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 entraînent l’espace-temps avec eux. Plus un objet tourne vite et plus il est massif, plus l’entraînement est puissant.

Un type d’objet pour lequel cela est très pertinent est appelé naine blanche. Ce sont les restes de noyaux d’étoiles mortes qui avaient autrefois plusieurs fois la masse de notre Soleil, mais qui ont depuis épuisé leur combustible hydrogène.

Ce qui reste a une taille similaire à celle de la Terre, mais est des centaines de milliers de fois plus massif. Les naines blanches peuvent également tourner très rapidement, en tournant toutes les minutes ou deux, plutôt que toutes les 24 heures comme la Terre.

L’entraînement du cadre causé par une telle naine blanche serait environ 100 millions de fois plus puissant que celui de la Terre.

Tout cela est bien beau, mais nous ne pouvons pas voler vers une naine blanche et lancer des satellites autour d’elle. Mais heureusement, 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 Parkes du CSIRO a découvert une paire stellaire unique composée d’une naine blanche (de la taille de la Terre mais environ 300 000 fois plus lourde) et d’un pulsar radio (juste de la taille d’une ville mais 400 000 fois plus lourd).

Comparés aux naines blanches, les pulsars sont dans une toute autre ligue. Ils ne sont pas constitués d’atomes classiques, 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 de phare » d’ondes radio émis par ce pulsar passe devant notre point d’observation ici sur Terre. Nous pouvons l’utiliser pour cartographier la trajectoire du pulsar en 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 sommes rendus 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 culbute dans l’espace.

Cela signifie que le plan de son orbite n’est pas fixe, mais au contraire qu’il 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 cette matière 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 dans une 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 qui est entraîné. Cette inclinaison est ce que nous avons observé grâce à notre cartographie patiente de l’orbite du pulsar.

Einstein lui-même pensait que nombre 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 des ondes gravitationnelles et l’imagerie de l’ombre d’un trou noir avec un réseau mondial de télescopes. Ces découvertes ont été faites par des installations à un milliard de dollars.

Heureusement, il y a encore un rôle dans l’exploration de la relativité générale pour les radiotélescopes de 50 ans comme celui de Parkes, et pour les campagnes patientes de générations d’étudiants diplômés.

Matthew Bailes, ARC Laureate Fellow, Swinburne University of Technology, Swinburne University of Technology et Vivek Venkatraman Krishnan, personnel scientifique, Max Planck Institute.

Cet article est republié depuis The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.