Imaginez que vous êtes un astronome avec des idées intéressantes sur les lois secrètes du cosmos. Comme tout bon scientifique, vous planifiez une expérience pour tester votre hypothèse. Et du coup la mauvaise nouvelle: il n'y a aucun moyen de le tester, autre que des simulations informatiques. Les objets cosmiques sont trop grands et inconfortables pour se développer dans une boîte de Pétri ou entrer en collision en tant que particules subatomiques.
Heureusement, il existe de rares endroits dans l'espace où la nature mène ses propres expériences - comme PSR J0337 + 1715. Ce triple système a été observé pour la première fois en 2012 et en 2014, les scientifiques ont officiellement annoncé sa découverte. Il est situé à 4200 années-lumière dans la constellation du Taureau.
Trois noyaux d'étoiles mortes tournent dans une danse qui pourrait confirmer - ou conduire à une révision - l'idée d'Einstein de l'espace-temps. Les enjeux sont élevés. Dans les années 1970, un système de deux étoiles mortes a fourni des preuves solides, quoique circonstancielles, soutenant la théorie de la relativité générale d'Einstein, et que les ondes gravitationnelles que LIGO a finalement trouvées existaient. Pour ce travail, les scientifiques ont reçu le prix Nobel.
Pour comprendre le PSR J0337 + 1715 dans le cadre de l'expérience, Joshua Sokol avec New Scientist propose de le représenter comme un emplacement physique. À peu près à la même distance du centre du système, auquel la Terre tourne autour du Soleil, se trouve une naine blanche et froide, les restes du noyau solidifié d'une étoile comme la nôtre. Un peu plus loin, il y a une autre naine blanche plus chaude. Il devrait "crier fort" dans le ciel, dit Scott Ransome de l'Observatoire national de radioastronomie en Virginie, qui supervise les observations du système.
Tous les 1,6 jours, cette naine blanche intérieure tourne autour d'un compagnon invisible à l'œil nu. Mais en vision aux rayons X ou gamma, les deux naines blanches sont relativement pâles par rapport à leur compagnon, un objet sphérique de 24 kilomètres de long dont la masse est une fois et demie la masse du Soleil.
C'est un pulsar, le reste d'une étoile beaucoup plus grande. Il tourne une fois toutes les 2,73 millisecondes, comme un démon de poussière cosmique. Chaque rotation libère un faisceau d'ondes radio dans le ciel qui atteint la Terre à chaque rotation - nous utilisons ses signaux ultra-précis comme une horloge cosmique. Et comme ces corps ont des champs gravitationnels intenses et enchevêtrés, et que nous avons des horloges qui leur sont liées, il serait extrêmement pratique de tester Einstein.
L'équipe de Ransom suit le tic-tac du pulsar, mesure comment les orbites des trois corps changent et compare les résultats avec les prédictions de la théorie d'Einstein. Ils se concentrent particulièrement sérieusement sur une idée.
Pensez à l'histoire apocryphe de Galilée sur la tour penchée de Pise, qui a jeté des objets au sol pour montrer que différentes masses mettent le même temps à parcourir la même distance. L'astronaute David Scott a fait la même expérience sur la lune avec une plume et un marteau.
Vidéo promotionelle:
Le principe de la soi-disant équivalence forte en relativité générale poursuit cette idée. Il soutient que même les objets avec leurs propres champs gravitationnels devraient réagir à la gravité de la même manière que les autres.
Comme avec les plumes et un marteau, la naine blanche intérieure et le pulsar beaucoup plus lourd devraient se comporter de la même manière sous l'attraction gravitationnelle de la naine blanche extérieure. Sinon, l'orbite de la paire intérieure deviendra plus allongée que prévu - et le principe d'équivalence sera violé, et la relativité générale est fausse.
Et puis il y aura le choc et la crainte. Mais on pourrait s'attendre tôt ou tard à un tel choc, car la relativité générale est connue pour ne pas vouloir être amie avec d'autres théories de la nature.
«Toute théorie de la gravité autre que la relativité générale prédit fondamentalement qu'un principe d'équivalence fort échouera à un certain niveau», dit Ransome.
Lors de la conférence Pulsar de septembre au Royaume-Uni, l'équipe de Ransom espère annoncer de nouveaux résultats, à commencer par les travaux d'Anna Archibald, qui testera le principe d'équivalence 50 à 100 fois mieux que jamais. Ils ne l'ont pas encore fait, dit Ransom, car il existe des modèles de données qui semblent violer le principe d'équivalence qui doivent être explorés de plus près.
«De toute évidence, ce sera puissant, nous voulons donc nous assurer que nous comprenons correctement les données», déclare Ransom. Pour le moment, les ordinateurs font encore des analyses.
Quelles sont les chances que lorsque le travail sortira, les gens seront excités?
«La plupart des gens pensent qu'un principe d'équivalence fort ne peut échouer à ce niveau. C'est l'une des raisons pour lesquelles nous nous cognons constamment la tête contre le mur."
Peut-être que PSR J0337 + 1715 est l'expérience spatiale parfaite: une expérience dans laquelle la relativité générale se cassera définitivement, pas sur papier, mais bien sûr. Ou nous attendrons encore un peu.
Ilya Khel