La Relativité Générale testée comme jamais avec un couple de pulsars

Le pulsar double nommé PSR J0737-3039A/B est un laboratoire astrophysique unique. Il vient d'être utilisé durant 16 ans d'affilée pour étudier très finement comment se comporte la gravitation dans sa forme "Relativité Générale en champ fort". L'équipe de Mickael Kramer parvient à mesurer 7 paramètres relativistes, dont certains pour la première fois. La théorie d'Einstein en ressort à nouveau infalsifiée comme jamais. L'étude est parue dans Physical Review X. 

Confirmation du redshift gravitationnel à proximité de Sgr A*

Un an après les européens et leur instrument GRAVITY monté sur le VLT, c'est au tour des américains d'observer le redshift gravitationnel à proximité de Sgr A*. L'équipe américaine à suivi de très près l'étoile S0-2, qui est passée à proximité du trou noir Sgr A* au printemps 2018 et est parvenue à observer ce redshift gravitationnel ainsi que le décalage Doppler relativiste dans la lumière de l'étoile. L'étude est publiée cette semaine dans Science.

Vitesse supraluminique pour le jet ultra-relativiste issu de GW170817

Une association de trois réseaux de radiotélescopes parmi les plus performants du monde a permis de déterminer la vitesse du jet relativiste émanent du résidu de la fusion de deux étoiles à neutrons observée en 2017 et répertorié GW170817. La vitesse apparente atteint 4 fois la vitesse de la lumière, une illusion supraluminique due à la vitesse ultra-relativiste du jet qui se trouve légèrement désaxé par rapport à la ligne de visée.

La Relativité Générale testée avec succès sur une étoile à neutrons

C'est un test inédit de la théorie d'Albert Einstein qui vient d'être effectué : le test de la chute libre sur un objet extrêmement compact, une étoile à neutrons. Et la Relativité Générale passe le test sans problème.

Hubble mesure pour la première fois la masse d'une étoile par un effet relativiste

Le télescope Hubble est à nouveau à l'origine d'une petite prouesse scientifique : mesurer l'effet de déflexion gravitationnelle produit par une seule étoile, le même type de mesure qui permit à Arthur Eddington il y a près d'un siècle de confirmer la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. Cette mesure de Hubble permet de mesurer directement la masse d'une étoile proche (une naine blanche) en appliquant les équations de la Relativité Générale.

L'Univers relativiste simulé pour la première fois

Des physiciens suisses de l'université de Genève viennent de rendre public un code de simulations numériques qui permet de simuler l'expansion de l'Univers directement à partir des équations de la Relativité Générale. Jusqu'alors, les codes de simulation étaient simplifiés en considérant des interactions newtoniennes. Cette nouveauté devrait permettre de comprendre en détail l'évolution de l'Univers, de la formation des grandes structures à son expansion accélérée par la mystérieuse énergie noire.

Les ondes gravitationnelles générées pendant la formation des
structures dans l’Univers. Les structures (distribution des masses)
sont indiquées comme points brillants, les ondes gravitationnelles par
des ellipses. La taille de l’ellipse est proportionnelle à l’amplitude
de l’onde et son orientation représente la polarisation (R. Durrer/UNIGE)

Ce code de calcul appelé Gevolution est fondé sur l'application exacte des équations d'Einstein, calculant la métrique de l'Univers à partir de son contenu en masse-énergie. Il intègre des mouvements de rotation de l'espace-temps ainsi que l'émission d'ondes gravitationnelles, ce qu'aucune simulation dynamique n'avait encore jamais pris en compte. L'équipe de Ruth Durrer du  Département de physique théorique de l'Université de Genève est publiée dans Nature Physics.

Le gros défaut des simulations d'Univers antérieures, outre le fait qu'elles étaient fondées sur la gravitation Newtonienne, était qu'elles étaient statiques, certes avec un résultat approximé correct pour des vitesses assez lentes (inférieures à 300 km/s), mais avec de grosses contraintes sur l'origine des champs gravitationnels forcément non relativiste. Elles devaient donc faire des hypothèses restrictives sur le secteur "sombre" (matière sombre et énergie sombre). Ici, avec Gevolution, toutes les composantes de matière et d'énergie peuvent prendre n'importe quelle valeur. L'Univers simulé évolue au cours du temps, l'espace-temps se trouve en expansion, dans lequel apparaissent des grandes structures cosmiques qui évoluent sous l'effet à la fois de l'expansion de l'espace-temps et des interactions gravitationnelles (courbure de l'espace-temps).

L’objectif initial des chercheurs était de pouvoir prédire l’amplitude et l’impact des ondes gravitationnelles, ainsi que ceux de la rotation de l'espace-temps (qu'on appelle aussi le frame-dragging) qui sont induits par la formation des grandes structures cosmologiques.

Les physiciens ont pour cela découpé l'équivalent d'une portion cubique d'Univers en 60 milliards de mailles contenant chacune une particule ayant une certaine masse (équivalent à une portion de galaxie), pour observer les mouvements d'ensemble obtenus.

Les chercheurs ont fait appel à un logiciel de calcul permettant de résoudre des équations partielles différentielles (en l'occurrence les équations d'Einstein) qu'ils ont appliqué sur chacune de leurs 60 milliards de mailles, le tout grâce au supercalculateur du Centre de Calcul de Lugano en Suisse.

Le code calcule les 6 degrés de liberté de la métrique relativiste et dérive la géodésique de l'espace-temps de manière dynamique.

Comme le frame-dragging et les ondes gravitationnelles n'avaient encore jamais été introduits dans une simulation, les résultats qu'obtiennent Durrer et ses collaborateurs leur permettent de confronter enfin l'expansion simulée avec l'expansion réelle telle qu'elle est observée.

Les premières simulations ont été effectuées dans le cadre d'un modèle cosmologique classique avec une constante cosmologique et de la matière noire "froide" (non relativiste, des WIMPs) et sans tenir compte des neutrinos. 

Elles donnent des résultats assez proches des simulations fondées sur la gravitation newtonienne, mais les chercheurs s'attendent à quelques nouveautés après avoir introduit un modèle d'énergie noire dynamique...

Ce type de confrontation simulation réaliste-observation en modifiant certains paramètres comme autant d'ingrédients dans la recette de l'Univers va permettre aux physiciens de tester la Relativité Générale à des échelles beaucoup plus vastes que ce que l'on savait faire jusqu'à aujourd'hui. L'approche des chercheurs suisses est très générale et ils indiquent qu'elle peut être appliquée à tous les cas où l'approximation newtonienne est défaillante ou imprécise comme la présence d'énergie noire dynamique, de matière noire "chaude" (relativiste) ou encore les explosions de supernovas par effondrement de cœur (SN de type II).

L'énergie noire encore si mal comprise pourrait bien dévoiler un coin de sa réalité grâce à des 0 et des 1.

Source :

General relativity and cosmic structure formation

J. Adamek et al.

Nature Physics (7 march 2016) 

http://dx.doi.org/10.1038/nphys3673

Deux satellites en perdition utilisés pour tester la Relativité Générale

L’année dernière, deux satellites dédiés au système de GPS européen Galileo ont subi une erreur de la fusée Soyouz qui les a positionnés sur une mauvaise orbite. Mais aujourd’hui, plutôt que de les considérer perdus à jamais, des chercheurs vont les utiliser pour faire de la science de précision.

Ces deux satellites comme tous ceux de la flottille du programme Galileo contiennent une horloge atomique qui mesure le temps avec une très grande précision. Comme ils ont désormais une orbite elliptique au lieu d’être circulaire, ils ne peuvent pas être utilisés en l’état pour faire du positionnement global de précision. Mais leur horloge atomique fonctionne toujours et la communication avec la Terre aussi. Les chercheurs peuvent donc par exemple mesurer les données temporelles des horloges embarquées sur ces satellites.

Satellite du système Galileo (ESA)

C’est une belle aubaine pour les physiciens qui n’en demandaient pas tant pour pouvoir faire le test le plus précis à ce jour d’un effet de la théorie de la relativité générale d’Einstein : la dilatation du temps par l’action d’un champ gravitationnel. Les chercheurs  du Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM, Centre de technologies spatiales appliquées et de microgravité) de Brême en Allemagne et du département SYRTE (Sytèmes de Référence Temps Espace) de l’Observatoire de Paris ont proposé de mesurer comment varient les pulsations de ces deux horloges atomiques durant les orbites des satellites. D’après la relativité générale Einsteinienne, les « battements » des horloges doivent ralentir lorsque le champ gravitationnel est plus intense, c’est-à-dire quand le satellite se rapproche de la Terre, et inversement doivent accélérer lorsqu’il s’en éloigne. Les orbites elliptiques des deux satellites qui étaient considérés en perdition sont telles qu’une distance d’environ 8500 km sépare leur point le plus proche et celui le plus éloigné de la Terre, une distance suffisante pour produire une mesure très précise.

Pour effectuer cette mesure, il faut également connaître avec précision l’altitude de l’orbite du satellite étudié, à tout moment (ou au moins au moment de la récupération des données de l’horloge). Pour ce faire, les physiciens prévoient de mesurer cette altitude directement en pointant un faisceau laser depuis le sol pour détecter la lumière réfléchie sur les satellites.

Ce type d’expérience de mesure de temps en orbite n’est pas une première. Il y a près de 40 ans déjà, en 1976, la NASA avait lancé une horloge atomique à bord de la sonde Gravity Probe A jusqu’à 10 000 km en orbite pour comparer son « battement » à celui d’une horloge identique restée sur Terre. Mais le vol n’avait duré que deux jours. Les mesures sur les satellites Galileo devraient quant à elles durer un an et permettre d’améliorer sensiblement les résultats de 1976 avec une précision améliorée par un facteur 4, soit de l’ordre de 0,004%.

L’effet de dilatation temporelle du champ gravitationnel (ou de la courbure de l’espace-temps si l’on préfère) sera investigué avec encore plus de précision à partir de 2017, avec cette fois-ci un instrument dédié entièrement à cette mesure : ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Cette horloge atomique de haute précision conçue par l’Agence Spatiale Européenne sera installée dans la station spatiale internationale et devrait fournir une précision 20 fois meilleure que celle prévue avec les satellites Galileo.

Le temps sera alors venu d’essayer de remettre les satellites errants sur une orbite plus circulaire pour qu’ils puissent participer tant bien que mal au réseau de GPS Galileo.

Source :

Wayward satellites repurposed to test general relativity

Elizabeth Gibney

Nature News (12 November 2015)

http://dx.doi.org/10.1038/nature.2015.18780

Matière Noire et Energie Noire : de purs et simples produits de la Relativité Générale ?

La Relativité Générale a été une véritable révolution scientifique. Nous fêtons cette année le centenaire de cette grande théorie d'Albert Einstein. Cette théorie, qui a été validée des millions de fois depuis 100 ans nous a permis de voir le monde autrement, en nous montrant un Univers espace-temps modelé par la masse qu'il contient.

Aujourd'hui plus que jamais, la Relativité Générale est la théorie physique la plus fondamentale. Mais la Relativité Générale ne pourrait-elle pas aujourd'hui être à la source d'une nouvelle révolution scientifique ?  C'est ce qui pourrait peut-être arriver si l'on en croit un chercheur non professionnel français qui vient de rendre public simultanément, dans la plus grande discrétion, deux gros articles assez incroyables.

Equation du champ après linéarisation (Le Corre)

Stéphane Le Corre, c'est son nom, propose dans ses deux articles théoriques, en le démontrant très sérieusement et de manière très documentée, que l'existence d'une apparente masse manquante, que l'on a pris l'habitude d'appeler la matière noire, matière toujours totalement inconnue aujourd’hui, et l'accélération de l'expansion cosmique, que l'on attribue aujourd'hui à une énergie noire, énergie tout autant inconnue, ne seraient ni plus ni moins que des phénomènes tout à fait naturels, qui peuvent se déduire d'une propriété de la gravitation issue de la Relativité Générale.

Le point de départ du développement de Le Corre consiste à utiliser  une approximation des équations de la Relativité Générale, ce qu'on appelle une linéarisation des équations. Il s'agit d'une approximation de la Relativité Générale comme peut l'être la théorie de Newton, mais qui se trouve bien moins approximée que cette dernière. 

La linéarisation des équations de la Relativité Générale produit un fait marquant : elle fait apparaître clairement un terme gravitomagnétique, et les équations obtenues se trouvent être très semblables à celles des équations de Maxwell de l'électromagnétisme. Le champ gravitomagnétique (ou champ gravitique comme l’appelle l’auteur de ces travaux) qui apparaît dans les équations, arrive tout à fait naturellement, il n'est pas un ajout ad hoc. 

Les masses apparaissent ainsi similaires aux charges électriques de l'électromagnétisme, le champ gravitationnel agit entre les masses comme le champ électrique entre les charges et un champ gravitique apparaît lorsque des masses se meuvent dans l'espace, tout comme apparaît le champ magnétique quand des charges électriques sont en mouvement. 

Et, de la même façon que les charges électriques subissent une force dans un champ magnétique, qui va modifier leur trajectoire, les masses subissent, en plus de la force de gravitation "classique" une seconde force liée au champ gravitique. 

Cette linéarisation des équations de la Relativité Générale possède un domaine de validité pour les faibles vitesses et les champs gravitationnels faibles. C'est justement le cas pour le mouvement des galaxies dans leur zone externe. Stéphane Le Corre repart justement de l'origine des observations qui ont mené à l'idée de la présence d'une matière non visible dans les galaxies à la fin des années 60 (grâce notamment à Vera Rubin) : les courbes de rotation des galaxies. 

Courbes de rotation de galaxies spirales (vitesse de rotation en fonction de la distance du centre galactique)   (Sofue & Rubin, 2001)

Il montre à partir d'un panel de courbes de rotations de différentes galaxies que la prise en compte du champ gravitique permet d'expliquer complètement la forme des courbes de rotation à longue distance, sans avoir besoin de supposer la présence d’une matière noire additionnelle. Le champ gravitique peut d'ailleurs se décomposer en une contribution interne aux galaxies et une composante externe. La composante interne décroit très vite avec la distance du centre galactique. Ne reste au-delà de 50 000 années-lumière du centre des galaxies que la composante externe : un champ gravitique faible et constant qui serait le champ gravitique de l'amas dans lequel se trouve la galaxie en question. Ce serait ainsi selon Le Corre cette composante qui serait la principale responsable de la forme anormale des courbes de rotation des galaxies, qui nous a incités à penser à la présence de matière supplémentaire non visible. La seule hypothèse que fait Stéphane Le Corre est ici que les galaxies doivent se trouver au sein d'amas de galaxies, or c'est ce qui est observé dans la très grande majorité des cas. Il n'existe pas ou très peu de galaxies isolées.

La similitude des équations développées par Stéphane Le Corre entre gravitation et électromagnétisme est frappante, et revêt une élégance certaine. Le titre de l'article n'en est pas moins raffiné : Dark Matter, a new proof of the predictive power of General Relativity (la "matière noire", une nouvelle preuve du pouvoir prédictif de la Relativité Générale).

Et l’existence d’un champ gravitique à des conséquences qui vont au-delà de la distribution des vitesses des étoiles au sein des galaxies : il induit également une certaine répartition des galaxies satellites autour des grosses galaxies, qui devraient se distribuer en un vaste disque. Or il existe déjà des indices observationnels de telles répartitions de galaxies satellites, par exemple autour de la galaxie d’Andromède…

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Concernant l'explication de l'accélération de l'expansion, que Stéphane Le Corre développe dans son second article au titre très proche du premier, où c'est l'énergie noire qui apporte une nouvelle preuve de la puissance prédictive de la théorie einsteinienne, une hypothèse un peu plus spéculative est faite pour soutenir la démonstration, toujours fondée sur les effets du champ gravitique. Mais cette fois c'est l'antimatière qui joue un rôle particulier, car l'hypothèse faite est que l'antimatière possède une masse gravitationnelle négative et qu'il existe alors une interaction répulsive entre matière et antimatière (la masse inertielle, elle, reste toujours positive). Il faut préciser tout de suite que la masse gravitationnelle est ce qui produit le champ gravitationnel et la masse inertielle ce qui subit le champ gravitationnel. Le parallèle avec l'électromagnétisme est d'ailleurs sous-jacent, où les charges électriques existent avec les deux signes. En considérant l'existence possible de masses négatives, l'expression du terme incluant le champ gravitique dans les équations relativistes devient négative et peut être assimilé au terme L de constante cosmologique produisant une accélération de l'expansion. 

En fait, l'introduction d'une masse gravitationnelle négative pour les antiparticules en plus de l'existence d'un champ gravitomagnétique permet de fournir une solution non seulement à l'accélération de l'expansion, mais aussi au problème de l'absence d'antimatière, tout en préservant l'existence d'une phase inflationnaire dans l'Univers primordial. L'idée de Le Corre est que, du fait de la répulsion gravitationnelle inhérente entre particules et antiparticules, ces dernières ont subi une ségrégation très tôt dans l'histoire de l'Univers, créant de fait des "univers" séparés, les uns faits de matière et les autres d'antimatière. Notre univers de matière serait ainsi entouré de plusieurs univers d'antimatière, à la manière d'un réseau d'atomes. Or chaque univers avec sa masse propre produit un champ gravitationnel, ainsi qu'un champ gravitique constant non négligeable, qui bien sûr va agir sur les univers voisins (c'est la seconde hypothèse de cette théorie)... Notre univers de matière aurait alors pour plus proches voisins des univers d'antimatière.

Schéma de la distribution d'"unvivers" de matière et d'antimatière qui agissent
les uns sur les autres, telle que proposée par l'auteur.

Le Corre fait les calculs au premier ordre en considérant 8 univers d'antimatière entourant notre univers, avec chacun une densité strictement opposée à la densité de notre univers. Et ce qu'il trouve est troublant.  Il calcule quelle devrait être la vitesse d'expansion à la frontière entre univers voisins à partir de la valeur du paramètre W_L mesuré par le satellite Planck (et qui vaut 0,7), associé à la constante cosmologique (qui est directement associée au champ gravitique dans la solution de Le Corre). La vitesse obtenue vaut 0,5 c, ce qui est tout à fait cohérent avec les observations aux plus grandes échelles.
En outre, à partir de ces mêmes calculs et avec cette valeur de vitesse, Stéphane Le Corre peut donner une valeur numérique à la valeur du terme de constante cosmologique L, il obtient : 1,4 10^-52 m^-2, toujours avec 8 univers d'antimatière voisins. Cette valeur de L est tout à fait dans l'ordre de grandeur de ce qui est observé aujourd'hui (10^-52 m^-2)...

L'hypothèse essentielle de toute cette démonstration est l'existence d'une masse gravitationnelle pouvant être négative, associée à une masse inertielle devant toujours être positive. Le Corre démontre comment une telle masse négative est tout à fait cohérente, à la fois dans la gravitation Newtonienne et dans la Relativité Générale. Ces théories le permettent. Stéphane Le Corre fait à nouveau la correspondance entre électromagnétisme et Relativité Générale Linéarisée pour montrer qu'à la conjugaison des charges entre particules et antiparticules est naturellement associée une conjugaison des masses. Ce point est la clé de voûte de la solution proposée, et il se trouve que c'est un phénomène testable expérimentalement. Il existe d'ailleurs déjà plusieurs expériences, notamment au CERN qui tentent de déterminer si des atomes d'antihydrogène sont attirés ou repoussés dans un champ gravitationnel de matière ordinaire (expériences AEgIS, GBAR ou ALPHA par exemple, qui n'ont pas encore des résultats suffisamment précis pour trancher dans une sens ou dans l'autre).

La conséquence du fait que les particules auraient forcément une masse gravitationnelle opposée à celle de leur antiparticule est qu'aucune particule ne pourrait être identique à son antiparticule, les particules de Majorana n'existeraient tout simplement pas, alors que c'était envisagé pour les neutrinos, qui n'ont pas de charge électrique mais une toute petite masse. Or il existe des expériences qui tentent de mettre en évidence l'existence de tels neutrinos de Majorana (expériences GERDA, NEMO ou MAJORANA par exemple). L'absence de résultats positifs pour ces expériences conforterait alors la solution proposée par le chercheur français. 

Pour résumer, Stéphane Le Corre parvient à expliquer le comportement attribué à la matière noire et à l'énergie noire, uniquement par une propriété cachée de la gravitation qui existe en Relativité Générale : la présence d'un champ gravitique, très similaire au champ magnétique en électromagnétisme, et qui produit une force par le mouvement des masses dans l’espace-temps. Ce champ agirait à l'échelle des amas de galaxie pour la matière noire, et à l'échelle de l'Univers concernant  l'énergie noire. La grande force de cette théorie est qu’elle n’introduit que très peu d'hypothèses. L’hypothèse la plus forte est l'existence d'une masse négative pour l'antimatière. Et la bonne nouvelle est que cette théorie est à la fois prédictive et testable.

Ces deux articles publiés en pré-print de manière assez confidentielle sur le site des archives ouvertes du CNRS méritent vraiment de s'y attarder, tant les solutions proposées sont séduisantes et rendent à nouveau à la Relativité Générale toute sa grandeur, peut-être même en font la théorie ultime qui pourrait bien nous réserver encore des surprises en résolvant naturellement les plus grandes énigmes cosmologiques actuelles…

Références :

Stéphane Le Corre. Dark matter, a new proof of the predictive power of general relativity. 2015. <hal-01108544v3>

Stéphane Le Corre. Dark energy, a new proof of the predictive power of general relativity. 2015. <ensl-01122689>

Découverte de la première supernova démultipliée par effet de lentille gravitationnelle

C’est une image magnifique que nous venons de découvrir dans le dernier numéro de la revue américaine Science : une supernova, démultipliée par 4.  Il s’agit d’une illusion, mais bien réelle, il y a bien eu une seule explosion d’étoile, mais nous la voyons 4 fois, à cause d’un effet de lentille gravitationnelle. 




La démultiplication d’images d’objets lointains par lentille gravitationnelle est ce qu’on appelle communément une croix d’Einstein, c’est un effet purement relativiste. Cela a lieu quand l’alignement est quasi-parfait entre l’objet lointain, l’objet déflecteur, et nous. Jusqu’à présent, on n’avait pu observer de tels phénomènes uniquement sur des galaxies, et aujourd’hui c’est la première fois que l’on assiste à ce phénomène sur une étoile unique, en l’occurrence une explosion d’étoile.

La supernova Refsdal vue 4 fois par lentille gravitationnelle (en jaune, flèches), imagée avec le télescope Hubble (NASA/ESA/STScI/GLASS team/FrontierSN team/Frontier Field team/CLASH team)

C’est le 12 novembre dernier que Patrick Kelly, astronome à l’université de Berkeley  aux Etats-Unis, découvrit sur des images du télescope spatial Hubble, cette supernova pas comme les autres qu’il avait l’habitude de voir. Il y en avait visiblement quatre, toutes identiques et symétriquement réparties autour d’une grosse galaxie au sein d’un amas de galaxies. La supernova est nommée Refsdal du nom de l’astrophysicien norvégien Sjur Refsdal, qui fut le premier à proposer l’idée de la mesure du taux d’expansion cosmique par la mesure de distance d’une supernova par lentille gravitationnelle (en 1964).

Cette supernova est vraiment très lointaine, elle est située à 9 milliards d’années-lumière. La grosse galaxie qui a servi de lentille se trouve elle à 5 milliards d’années-lumière de nous.

Les supernovas (celles du type Ia) sont importantes car elles permettent de mesurer leur distance, elles sont par exemple utilisées pour déterminer le taux d’expansion de l’Univers et comment il évolue. Il est donc aussi important de trouver des supernovas situées à un peu toutes les distances pour pouvoir calculer comment a évolué l’expansion de l’Univers au cours du temps cosmique.

Ce qui est très intéressant avec cette supernova démultipliée, c’est que l’alignement n’était pas tout à fait parfait (on peut le comprendre), et du coup, les photons des quatre images n’ont pas pris le même temps pour arriver à nous. En d’autre termes, on voit quatre images de l’explosion de la supernova à plusieurs temps différents, un peu comme si on regardait un film plusieurs fois en décalé mais simultanément. On peut ainsi voir quatre fois la montée de luminosité puis quatre fois la décroissance de cette explosion.

Et en mesurant ces écarts temporels entre les quatre images de cette même explosion, on peut théoriquement déterminer précisément la distance parcourue par ces différents rayons lumineux entre leur point d’origine et nos yeux (c’est-à-dire le miroir de Hubble), c’est la méthode de Refsdal.

Schéma du principe physique produisant le phénomène de lentille gravitationnelle et de croix d'Einstein.

Malheureusement, dans le cas de cette belle quadruple supernova, qui est la première candidate potentiellement utilisable pour cette méthode, l’objet déflecteur est constitué de deux lentilles : la grosse galaxie et l’amas de galaxie. Or le calcul du chemin des rayons lumineux dépend aussi du champ gravitationnel à l’origine de la déflexion, et ce calcul est ici trop peu précis car le champ gravitationnel est trop difficile à modéliser…

Ce qu’espèrent les chercheurs, c’est maintenant de découvrir une nouvelle image de cette supernova, qui pourrait émerger de l’amas de galaxies central, après de multiples déflexions, ce qui permettrait de beaucoup mieux connaitre la distribution de matière dans cet amas de galaxie et de pouvoir enfin mesurer la distance de l’explosion, et par là-même mesurer l’expansion de l’Univers. Cela implique qu’il faudrait que Hubble (ou son futur successeur) garde très souvent un œil sur cette zone du ciel, pour ne pas rater ce nouvel événement.

Ce type de phénomène astrophysique  devrait pouvoir être plus souvent découvert à l’avenir grâce à l’arrivée annoncée du Large Synoptic Sky Survey, toujours prévue pour 2022…

Alors que Albert Einstein fait la couverture de la revue Science pour fêter les 100 ans de la théorie de la Relativité Générale, quel plus bel hommage que cette superbe découverte d’une croix d’Einstein sur une supernova, preuve exceptionnelle de cette théorie centenaire, chaque jour plus robuste !

Sources :

Multiple images of a highly magnified supernova formed by an early-type cluster galaxy lens

P. Kelly et al.

Science 6 March 2015 Vol. 347 no. 6226 pp. 1123-1126

Supernova 'kaleidoscope' seen for first time

M. McKee

Nature 5 march 2015

Ménage à Trois autour d'un Pulsar

Une équipe d’astronomes vient de trouver un système d’étoiles qui n’avait encore jamais été observé : un système triple incluant un pulsar. Au-delà de la curiosité suscitée par la rareté d’un tel trio, une étoile à neutron liée gravitationnellement à deux étoiles naines blanches, ce système stellaire a le potentiel extraordinaire d’être un excellent laboratoire pour tester la théorie de la relativité générale.

Environ 80% des 300 pulsars millisecondes (ceux qui tournent le plus vite) recensés possède une étoile partenaire. Mais la présence d’un seul partenaire ne permettait pas d’expliquer les variations désordonnées de la fréquence de l’émission radio observée sur PSR J0337+1715, qui fut découvert en 2007 par l’américain Scott Ransom et ses collègues du National Radio Astronomy Observatory à Charlottesville en Virginie. Ils décidèrent donc de suivre sur une longue période ce pulsar étrange à l’aide d’autres radiotélescopes, et c’est finalement une étudiante Québécoise de l’Université McGill à Montréal, Anne Archibald, qui comprit ce qui se passait, qu’il y avait une troisième étoile… On estime l’occurrence d’un tel système à moins de 100 dans notre galaxie, qui rappelons-le contient environ 100 milliards d’étoiles.

Vue d'artiste du système triple de PSR J0337+1715
(Bill Saxton; NRAO/AUI/NSF)

Le pulsar (PSR J0337+1715) a une masse de 1,4 fois celle du soleil et tourne sur lui-même 366 fois par seconde. Il est en orbite liée avec une toute petite naine blanche qui ne fait que 20% de la masse solaire, avec une révolution en 1,6 jours. Et une seconde naine blanche (40% de la masse du soleil), tourne autour du couple à une plus grande distance et en plus longtemps (327 jours).

Ce trio est parfait pour tester un concept important qui est sous-jacent à la théorie de la gravitation d’Einstein. Il s’agit du principe d’équivalence, qui met en relation deux conceptions de la masse : la masse inertielle, qui quantifie comment un objet résiste à une accélération, et la masse gravitationnelle, qui détermine comment un champ gravitationnel agit sur cet objet.

La version la plus simple du principe d’équivalence dit que masse inertielle et masse gravitationnelle sont égales. Le principe d’équivalence fort, lui, va plus loin : selon la célèbre équation d’Einstein, l’énergie est égale à la masse (E=mc²), donc l’énergie contenue dans le propre champ gravitationnel d’un objet peut contribuer à sa masse. Le principe d’équivalence fort stipule que même en incluant la masse générée par cet effet d’ « auto-gravitation », les masses inertielles et gravitationnelles doivent toujours être égales.

Ce principe d’équivalence fort apparaît dans la théorie de la relativité générale, mais pas dans d’autres théories alternatives de la gravitation. Pouvoir le tester devient alors extrêmement intéressant.

Albert Einstein en 1921

Des physiciens s’y sont déjà essayés en regardant comment la Lune et la Terre se meuvent dans le champ gravitationnel du Soleil, ou encore comment une binaire pulsar/naine blanche se comporte dans le champ gravitationnel de la galaxie. Mais dans les deux cas, la précision obtenue était trop mauvaise pour pouvoir conclure quelque chose, l’effet d’"autogravitation" de la Terre est très faible et le champ gravitationnel de la galaxie également.

En revanche, le nouveau trio découvert a tout pour une mesure très précise : le pulsar produit un effet autogravitationnel conséquent, et la naine blanche externe produit un puissant champ gravitationnel. En observant comment les deux composantes internes du trio sont attirées par la troisième composante, les astrophysiciens ont estimé pouvoir obtenir une précision 100 fois supérieure à ce qui était obtenu auparavant. Scott Ransom précise que son équipe devrait être en mesure de pouvoir tester le principe fort d’équivalence en moins d’un an.

Il va sans dire que si les résultats mettent en défaut ce principe d’équivalence Einsteinien, la physique en sera toute bouleversée…

Sources :

A millisecond pulsar in a stellar triple system

S. M. Ransom, et al.

Nature published online 05 January 2014

Rare Celestial Trio to Put Einstein's Theory to the Test

Adrian Cho

Science 10 Vol. 343 no. 6167 pp. 126-127 (January 2014)

Un Magnétar autour d'un Trou Noir : Une Découverte Fortuite A Fort Potentiel

Je vous en parlais au début de l’année dernière, un nuage de gaz (nommé G2) est en ce moment en train de s’approcher dangereusement (pour lui) du trou noir supermassif tapi au centre de notre galaxie (voir là). Et depuis sa mise en évidence, de très nombreux télescopes sont braqués vers le centre galactique pour voir les premiers le festin qui va s’ensuivre. En effet, ce nuage de gaz doit passer si près de Sgr A* que ce dernier devrait l’engloutir en produisant de belles bouffées de rayonnements en tous genres.

Et ce qui devait arriver arriva : quelque chose a été détecté… mais ce n’est pas ce qui était attendu ! Il est encore trop tôt, G2 devrait être englouti vers la fin de l’année ou au début de l’année prochaine. En revanche, une équipe, en observant les alentours de Sgr A*, a trouvé un objet émettant très intensément en rayons X, et qui n’est pas G2.

Le télescope spatial NuSTAR (NASA)

C’est avec le télescope spatial dédié aux rayons X NuSTAR, que Fiona Harrison et son équipe ont scruté en détail cet objet et ont pu conclure sur sa nature : il s’agit de ce qu’on appelle un magnétar : un pulsar possédant un champ magnétique très fort, qui lui fait perdre beaucoup d’énergie en faisant spiraler de la matière autour de ses lignes de champ.

Ils ont pu observer très nettement la pulsation des émissions X le 26 avril dernier, avec une période de 3,76 secondes. Quelques jours plus tard, l’observatoire spatial Chandra fut mobilisé pour regarder ce pulsar et calculer sa distance. Il se trouve à moins d’une demi-année-lumière du trou noir (0,38 AL précisément), ce qui est beaucoup plus loin que le nuage G2.

Une semaine plus tard, c’est au tour des satellites NuSTAR  (à nouveau) et Swift d’observer ensemble cette source de rayons X pulsante et d’en conclure qu’il s’agit bien d’un magnétar, sa période de rotation déclinant significativement, du fait de son fort champ magnétique.

Même si il se trouve bien plus loin que le nuage de gaz G2 et bien trop loin pour être avalé par le TN supermassif, ce magnétar se trouve suffisamment près du trou noir supermassif Sgr A*, pour en faire un outil très précieux pour les astrophysiciens. Une découverte fortuite très intéressante.

Vue d'artiste du nuage de gaz G2 approchant SGR A*

Il faut savoir que ce n’est pas le premier magnétar à être trouvé dans cette région de la galaxie, c’est le quatorzième. De tels pulsars sont des résidus d’étoiles massives très vieilles, qui peuplent abondamment le centre de notre galaxie. Mais ce pulsar-là est le plus proche du TN supermassif

Là où il devient un outil passionnant pour les astrophysiciens, c’est dans l’étude de la relativité générale à proximité de Sgr A*(voir ici). En effet, un pulsar est une étoile à neutrons qui tourne sur elle-même avec une période de rotation bien définie et qui produit une pulsation de rayonnement avec la même période. C’est en quelque sorte une horloge que l’on peut regarder à distance.

vue d'artiste d'un magnétar

D’après la Relativité Générale, en présence d’un très fort champ gravitationnel, là où la courbure de l’espace-temps est très prononcée, ce qui est le cas au voisinage d’un trou noir supermassif, le temps doit se ralentir vu par un observateur éloigné.

Un pulsar en orbite autour d’un trou noir supermassif est donc l’outil rêvé pour étudier ces effets temporels. Il faut juste que ce magnétar ait une orbite elliptique, ce qui devrait être le cas. Alors, sa distance au trou noir doit varier entre une valeur maximale et une valeur minimale. Il s’ensuit que sa période de pulsation devrait ralentir et s’accélérer, en fonction de son mouvement autour de Sgr A*…

Il arrive parfois, voire souvent, que des observations mènent à des trouvailles inattendues qui se révèlent incroyablement fructueuses. Il se peut que G2  ne soit même pas un nuage de gaz, mais en le surveillant, on vient peut-être de trouver  un nouveau moyen d’en connaître encore plus sur Sgr A* et la physique centenaire qui le régit.

Références :

Magnetar found at giant black hole

E.  Reich

Nature 497, 296–297 (16 May 2013)

NuSTAR discovery of a 3.76 second pulsar in the Sgr A* region
The Astronomer's Telegram  #5020
 http://www.astronomerstelegram.org/?read=5020

A La Recherche des Ondes Gravitationnelles

La gravitation est la force qui ordonne l’Univers à grande échelle. Elle est comprise depuis un siècle - et la théorie de la Relativité Générale d’Einstein - comme issue de la courbure de l’espace-temps, qui est elle-même produite par la présence de densité d’énergie (ou de masse). A son tour, toute masse (et on pourrait dire toute quantité d’énergie) se déplace dans l’espace-temps en suivant la courbure de ses géodésiques.

Et la Relativité Générale prédit que lorsque deux objets très denses et très compacts se tournent l’un autour de l’autre à grande vitesse et finissent par fusionner dans un beau cataclysme, l’espace-temps autour de ce couple singulier doit subir des phénomènes semblables à des vibrations. Il doit alors exister des ondes à la surface de l’espace-temps, de façon similaire à ce que l’on pourrait observer à la surface de l’eau lorsqu’on jette un caillou dans un lac.

Ces ondes de gravitation, ou ondes gravitationnelles, se propagent ensuite, en s’atténuant sur leur trajet, dans tout l’Univers à la vitesse de la lumière.

Les ondes gravitationnelles sont même associées à une particule spécifique dans le bestiaire de la physique des particules : un boson appelé le graviton, qui a la particularité unique dans le monde des particules de posséder un spin égal à 2.

Aujourd’hui, ni les ondes gravitationnelles ni le graviton n’ont pu encore être observés directement. On est en revanche à peu près sûrs de l’existence des ondes gravitationnelles de manière indirecte en observant comment des couples d’étoiles à neutron perdent de l’énergie gravitationnelle, qui ne peut être dû qu’à une émission d’ondes du même nom.

Car les objets à même de produire des ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter ne sont pas très nombreux : il s’agit soit de couples d’étoiles à neutron, soit de couples de trous noirs ou encore des couples mixtes : étoile à neutron-trou noir. Il est également possible dans une moindre mesure d’espérer avoir un signal détectable dans le cas d’un couple naine blanche-étoile à neutron si sa distance n’est pas trop éloignée de nous.

Le signal des ondes gravitationnelles et de fait toujours extrêmement faible. Des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont été construits ou sont en cours de construction un peu partout dans le monde. Comme le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre a pour conséquence de légèrement réduire ou augmenter la distance séparant un point d’un autre (imaginez un espace  élastique qui ondule), le principe utilisé pour mettre en évidence le passage d’une telle onde (ou une suite d’ondes) repose sur l’optique, et plus exactement sur l’interférométrie laser, la seule solution efficace pour mesurer avec une très grande précision une différence de longueur entre deux points.

L'interféromètre européen VIRGO (LAL/CNRS)

Car de la précision il en faut pour voir le passage d’une onde gravitationnelle : la variation relative de longueur à détecter est de l’ordre de 10^-21, soit un milliardième de nanomètre pour un kilomètre…

Les principaux interféromètres dédiés à la recherche d’ondes gravitationnelles sont VIRGO en Italie, LIGO-Hanford et LIGO-Louisiana aux Etats-Unis, LIGO-India en inde ainsi que Kagra au Japon.

L’inconvénient majeur de ces interféromètres laser kilométriques est que, individuellement, ils ne peuvent détecter que le passage d’une onde gravitationnelle, il ne peuvent pas dire de quelle direction celle-ci provient. En revanche, et c’est ce qu’ont compris les physiciens des différents continents, si les différents interféromètres sont associés entre eux, il devient possible de faire de la triangulation et de pouvoir déterminer grosso modo une direction dans le ciel. L’association des 5 interféromètres cités peut ainsi permettre de localiser une source d’ondes gravitationnelles dans une zone de 6° de côté pour des sources pouvant être éloignées jusqu’à 2,5 milliards d’années-lumière.

Figures d'interférences pour différentes distances entre miroirs

Non seulement l’amplitude du signal est faible et la localisation délicate, même si les physiciens n’ont pas peur de relever le défi, l’occurrence de ces événements singuliers de fusion de couples d’objets denses est également très faible… Elle est estimée à environ 1 événement tous les 10000 ans par galaxie. Ce qui veut dire qu’il faudrait scruter 10000 galaxies simultanément pendant un an pour espérer « voir » un seul tel cataclysme producteur d’ondes gravitationnelles.

Qu’à cela ne tienne ! Physiciens et astronomes relèvent tous les défis de la connaissance. Ils devront donc regarder des milliers de galaxies à la fois.

Bien évidemment, le but des équipes de physiciens, après avoir localisé grossièrement la source d’ondes gravitationnelles, est de donner l’alerte le plus vite possible aux astrophysiciens pour qu’ils recherchent dans la zone ainsi définie une contrepartie visible (dans toutes les longueurs d’onde) du phénomène cataclysmique, par nature transitoire.

Des télescopes sont spécifiquement dévolus à la recherche d’événements transitoires de ce type, que ce soit des télescopes en orbite comme Fermi ou Swift, ou bien des télescopes terrestres munis de cameras à grand champ comme le Zwicky Transcient Facility prévu dès 2015, le  Dark Energy Camera (installé en 2012) ou encore le Jansky Very Large Array dans le domaine des ondes radio.

Albert Einstein en 1921

Mais de récents calculs ont montré que ces événements rares de fusion d’objets compacts pourraient produire une importante émission dans l’infra-rouge. Or il n’existe à l’heure actuelle aucun télescope infra-rouge pouvant capturer un grand champ de vue. Des équipes d’astronomes et d’astrophysiciens ont donc proposé la construction de deux nouveaux télescopes dédiés à ce type de recherche, l’un au sol, le Synoptic All-Sky InfraRed telescope (SASIR) pouvant fournir un champ jusqu’à 1°, l’autre en orbite, le Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) avec un champ de 0.3 degrés.

Parallèlement à ces efforts instrumentaux, il est également extrêmement important pour les astronomes de mieux connaître à l’avance simplement où se trouvent les galaxies, de manière à pouvoir éliminer des sources transitoires qui seraient autant de signaux parasites. En effet, des phénomènes transitoires qui ressemblent à s’y méprendre au signal attendu mais qui n’en sont pas la conséquence, sont nombreux au sein des galaxies.

La quête des ondes gravitationnelles ressemble ainsi à un élan qui pousse en avant de nombreux domaines, qu’ils soient technologiques avec l’élaboration de systèmes optiques ultra performants ou de nouveaux télescopes, ou bien fondamentaux avec la construction de vastes catalogues galactiques. Presque un siècle après son invention par Albert Einstein, la théorie de la Relativité Générale produit aujourd’hui indirectement nombre d’innovations technologiques et de progrès dans les connaissances astronomiques, et ce dans le simple but de sa validation définitive.