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26 octobre 2019 6 26 /10 /octobre /2019 10:20

La R.G. encore toujours performante.

Lorsque j’ai proposé le 14/05, l’article : « Chemin escarpé menant à un au-delà de la Relativité Générale », j’ai indiqué qu’il nous faudra préalablement identifier la frontière des phénomènes physiques qui ne peuvent plus être correctement décrits par la loi d’Einstein.

Je propose de rapporter dans le présent article des résultats physiques qui confirment que la R.G est toujours performante pour prédire et rendre compte des phénomènes observés qui mettent en jeu des champs gravitationnelles de grande intensité. Nous avons maintenant à notre disposition un grand nombre d’instruments d’observations très performants qui nous permettent de voir loin dans notre cosmos et de voir avec de plus en plus de précision et donc la mise à l’épreuve de la validité de la Relativité Générale est très consistante.

Récemment, c’est-à-dire en Mai 2018, une étoile : SO-2 a atteint le point de sa trajectoire dont sa distance au trou noir de notre galaxie, nommé : Sagittarius A* (Sgr A*), est la plus réduite. Ce point de moindre distance s’appelle le périhélie et la masse de Sgr A* est estimée à 4 millions de fois la masse de notre soleil (MƟ). C’est donc en Août de cette année que sont publiés les articles rendant compte des observations obtenues 15 mois plus tôt, car il y a obligatoirement beaucoup de traitements des signaux obtenus sur les télescopes pour que scientifiquement des résultats de grandes valeurs soient publiés. Ainsi sur le site Phys.org, sur ce sujet, on peut lire l’article : « La théorie de la relativité générale d’Einstein est remise en question, mais elle est toujours valable jusqu’à présent. » ou encore sur le site de Physicsworld : « La théorie de la relativité générale d'Einstein testée par une étoile qui orbite autour d'un trou noir. »

La trajectoire de l’étoile SO-2 est suivie depuis 25 ans, sa trajectoire est nettement képlérienne donc très elliptique et elle boucle son orbite en 15,5 années. Lorsqu’elle est au niveau de son périhélie sa vitesse de déplacement est maximum, de l’ordre de 25 millions de km/h, sa distance est minimale et est de 20 milliards de km soit 120 fois la distance terre-soleil[1].

L’équipe de l’astrophysicienne Andréa Ghez de l’Université de Californie est une des deux équipes à avoir suivi l’évolution de SO-2 depuis plus de 20 ans. Les observations des deux équipes conduisent à déclarer que les prédictions de la théorie de la relativité sont à nouveau spectaculairement vérifiées et un des piliers de la théorie relativiste de la gravitation, soit l’égalité entre masse grave et masse d’inertie, est également encore vérifié.

Lorsque l’étoile SO-2 s’approche du périhélie de sa trajectoire une combinaison de deux effets relativistes est observée. En premier lieu un effet Doppler, pour nous observateurs sur terre, provoquant un important décalage spectral vers le bleu de la lumière émise par l’étoile quand celle-ci s’approche de nous et un décalage vers le rouge quand celle-ci s’éloigne de nous. A cela est observé un décalage vers le rouge supplémentaire de la lumière dû au champ gravitationnel intense de Sgr A* et qui est une belle illustration de l’interdépendance Espace-Temps-Matière (énergie). Ces deux traits d’union indiquent que l’espace-temps est modifié au voisinage de la matière (énergie puisque E=mC2), tout comme l’espace-temps modifié, modifie la trajectoire de la matière (énergie) instantanément. Cette réalité physique jusqu’à présent confirmée explique la raison pour laquelle du point de vue mathématique les équations de la relativité générale sont impossibles à traiter d’une façon globale. Ce qui est certain c’est que le tempo du temps, de nos horloges, ralentit lorsque le champ gravitationnel s’accroit (lorsque la quantité de matière (énergie) s’accroit).

L’observation du suivi de la trajectoire de SO-2 est encore intense car maintenant qu’elle a entrepris une trajectoire complète en 15,5 années, il s’agit d’observer si la nouvelle trajectoire sera identique à la précédente ou si elle sera légèrement différente à cause d’un effet de précession relativiste comme la R.G le prédit. A priori, nous aurons des résultats sur cette prédiction d’ici la fin de cette année. A priori, il n’y a pas de doute sur l’observation de cet effet, puisque déjà observé à propos de Mercure qui se trouve être la planète du système solaire la plus proche du soleil. Ce qui est attendu, c’est de connaître l’ampleur de cette précession et de vérifier si elle est en accord avec les prédictions théoriques de la R.G.

Grâce à des télescopes encore plus performants l’équipe de A. Gehz s’intéresse à suivre l’évolution d’une autre étoile identifiée : SO-102 qui a une orbite plus réduite de 11,5 années et son passage au plus près de Sgr A* sera d’une plus grande proximité avec en conséquence des effets gravitationnels plus intenses. Ce sera donc une opportunité de vérifier si la R.G dysfonctionne au-delà de cette nouvelle valeur supérieure du champ gravitationnel.

Il y a un autre domaine où la Relativité Générale a une valeur prédictive particulièrement élevée c’est celui de la collision des trous noirs avec la détection des premières ondes gravitationnelles en 2015, cent ans après qu’elles furent, dès cette époque, concrètement théoriquement déductibles des équations d’Einstein. Actuellement les interféromètres Ligo et Virgo ont enregistré une quarantaine de ces collisions dont certaines sont aussi entre étoiles à neutrons et peut-être quelques unités entre trou noir avec étoile à neutrons.

Ce que l’on peut affirmer aujourd’hui, c’est que sans la référence de la Relativité Générale on n’aurait pas engagé des recherches instrumentales aussi sophistiquées pour tenter de détecter des ondes spatio-temporelles. Tous les résultats obtenus et qui font sens actuellement résultent de sélections d’ondes gravitationnelles effectives grâce à des calibres préalablement conçus par l’intermédiaire des équations de la R.G. Ceci étant dit, il nous faut prendre du recul. Il est donc approprié de déclarer que toutes les observations sont compatibles (sic) avec la relativité générale et les prédictions pour les trous noirs, mais il n’est pas possible d’être plus affirmatif. La raison en est que nous sommes pris dans le tropisme des équations de la R. G. car c’est le seul outil théorique prédictif dont nous disposons. Il n’est pas impossible que les collisions des trous noirs, des étoiles à neutrons et trous noirs avec étoiles à neutrons, soient beaucoup plus riches en informations véhiculées par les ondes gravitationnelles que celles spécifiques sélectionnées au moyen des calibres déterminés par la R.G. On ne pourra accorder de la signification aux informations qui sont véhiculées et qui seraient au-delà de la R.G. qu’à force d’une accumulation d’observations. A partir de cette situation on sera peut-être en mesure de distinguer ce qui est théoriquement inclus dans les prévisions de la R.G. de ce qui ne peut pas être considéré comme inclus.

Nous sommes actuellement pleinement dans cette étape scientifique et sans vouloir anticiper abusivement, il n’est pas interdit d’ouvrir le questionnement suivant : pourquoi avec les quatre collisions entre étoiles à neutrons détectées depuis le début d’avril de cette année, aucun rayonnement électromagnétique n’a été observé contrairement à la collision de même nature observée en 2017 ? Est-ce que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles est identique à celle des ondes électromagnétiques comme cela fut postulé par Einstein ? Est-ce tout simplement un problème de carence d’observation ?

L'évènement observé en 2017 avait soulevé un enthousiasme certain chez les astrophysiciens grâce à la richesse des informations obtenues à la fois par la détection des ondes gravitationnelles et des ondes électromagnétiques sur une gamme de longueur d’onde significative. Les réponses aux questions posées sont à l’ordre du jour.

Il y a peu, le 08/09, un article a été publié dans ‘Techno-Sciences’ avec le titre suivant : « L’émission radio d’un pôle magnétique d’étoile à neutrons révélée par la relativité générale. » Là encore, ce résultat a été obtenu grâce à la croyance solide du pouvoir prédictif de la R.G. puisqu’il a fallu 14 années d’observations pour confirmer ce résultat annoncé par les équations. Je cite l’article :

« En utilisant les données des radiotélescopes d'Arecibo et de Nançay collectées depuis 14 ans, une équipe scientifique dirigée par un chercheur de l'Observatoire de Paris a pu reconstruire le faisceau d'émission radio du pulsar J1906+0746 grâce à la précession relativiste de son axe de rotation. Ces résultats permettent l'étude de l'émission radio au-dessus du pôle magnétique d'un pulsar, tester la théorie de la relativité générale d'Einstein et ont des conséquences sur le taux de coalescence des étoiles à neutrons. Ces résultats sont publiés dans le magazine Science du 6 septembre 2019.


Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui concentrent 1,4 fois la masse du Soleil - ou plus ! - dans une sphère de 20 km de diamètre. Ils possèdent un champ magnétique extrêmement fort et émettent un faisceau d'ondes radio au-dessus de chacun de leurs deux pôles magnétiques.
Tel un phare au bord de la mer, l'émission des pulsars est perçue sur Terre comme des impulsions avec une régularité qui rivalise la précision des meilleures horloges atomiques. Ces objets massifs et compacts sont ainsi utilisés par les astronomes comme des horloges cosmiques pour tester la théorie de la relativité générale :d'Einstein.
La théorie d'Einstein prédit que l'
espace-temps est déformé par des objets massifs comme les pulsars. Une des prédictions de cette théorie est la précession de l'axe de rotation d'un pulsar lorsqu'il appartient à un système à deux astres. Cette précession est un lent changement d'orientation de son axe à la façon d'une toupie en fin de lancer. Cet effet est dû au mauvais alignement entre l'axe de rotation du pulsar et le moment angulaire total du système causé par une supernova. Cette précession fait varier la géométrie d'observation du pulsar qui peut être étudiée grâce aux impulsions radio reçues.

PSR J1906+0746 est situé proche du plan de la Voie Lactée à une distance d'environ 20 000 années lumières dans la direction de la constellation de l'Aigle. Ce pulsar tourne sur lui-même en 144 ms et orbite autour d'une autre étoile à neutrons en 4 heures. Les chercheurs observent ce pulsar depuis 2012 avec le radiotélescope d'Arecibo à Porto Rico (Etats-Unis). Pour compléter l'étude, l'équipe a aussi réanalysé des archives du radiotélescope d'Arecibo et celles du radiotélescope de Nançay situé dans le Cher. Au total, les observations couvrent une période allant de juillet 2005 à juin 2018.

 
L'équipe a pu déterminer que l'émission radio détectée entre 2005 et 2016 provenait des deux pôles magnétiques du pulsar, quand les deux faisceaux radios illuminaient la Terre. En 2016, l'émission radio en provenance de l'un des deux pôles ne fut plus détectée et depuis, seule l'émission radio provenant du deuxième
pôle sud reste détectable.

 
En utilisant une théorie datant de 1969 qui prédit que la polarisation de l'émission radio renseigne sur l'orientation géométrique du pulsar, l'équipe a pu valider ce modèle et mesurer la précession de l'axe de rotation du pulsar avec une incertitude de 5%. Ce résultat est en parfait accord avec la prédiction de la relativité générale d'Einstein.


L'étude permet aussi de prédire la disparition et réapparition de l'émission provenant des deux pôles magnétiques du pulsar. L'émission provenant du dernier pôle visible devrait disparaitre de notre ligne de visée vers 2028 et réapparaitre entre 2070 et 2090. L'émission du premier pôle devrait réapparaitre entre 2085 et 2105.


Ces observations rendent aussi possible des avancées sur la compréhension de l'émission radio des pulsars grâce à l'observation des propriétés d'émission radio au-dessus d'un pôle magnétique. La reconstruction du faisceau d'émission radio permet finalement de déterminer la fraction du ciel qui est illuminée par ce pulsar. Ce paramètre affecte le nombre estimé de systèmes à deux étoiles à neutrons dans notre Galaxie et donc le taux de coalescence de ces systèmes. »

 

            Tous ces résultats que je privilégie sont obtenus avec l’exploitation conjointe de la métrique de Schwarzschild (1873-1916) qui introduit une symétrie sphérique en privilégiant les objets célestes sphériques sources de gravitation, tels les étoiles et les trous noirs. D’un point de vue mathématique cette symétrie sphérique simplifie remarquablement les équations d’Einstein et favorise leur traitement.

            Lorsqu’il est interrogé la validité de la R.G, par exemple à propos du problème posé par le fait que nous ayons actuellement trois valeurs de la constante de Hubble mesurées, il faut prendre en compte l’hypothèse qu’aux grandes échelles c’est la métrique de Robertson-Walker qui est exploitée car elle prend en compte le critère de l’homogénéité de l’univers et son isotropie aux grandes échelles et donc une symétrie de translation est exploitée ce qui simplifie d’une autre façon les équations de la R.G[2] ainsi que leur traitement. Il faut certainement réfléchir à cet aspect du problème.

            Pour terminer cet article je veux rendre compte d’une nouvelle confirmation des équations d’Einstein avec un article, du 11/09 dans Phys.org, avec le titre suivant : « Les scientifiques détectent pour la première fois le tintement d'un trou noir nouveau-né. »

            « Si la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein est vraie, alors le trou noir, né de la collision cosmique de deux trous noirs massifs, devrait lui-même « tinter » dans la foulée, produisant des ondes gravitationnelles un peu comme une cloche frappée émet des ondes sonores. Einstein a prédit que le tintement particulier ainsi que la décomposition de ces ondes gravitationnelles devraient être une signature directe de la masse et du spin du trou noir nouvellement formé. »

            Cette prédiction a été mise à l’épreuve par l’exploitation du signal de la collision des 2 trous noirs enregistré le 14 septembre 2014 (GW150914). Cette étude réalisée au sein de l’Institut pour la recherche en astrophysique du MIT a abouti à vérifier remarquablement la validité de cette prédiction. En effet, les chercheurs ont été en mesure d’extraire le ‘sous-signal[3] correspondant au tintement du trou noir nouveau-né résultant de la collision, ce qui en dit long sur la finesse et les intelligences, aujourd’hui mobilisées, pour extraire de l’information si subtile. Cela en dit long aussi sur la confiance placée à l’égard des prolongements de la validité de la R.G car il a fallu 5 ans de traitement du signal original pour publier un résultat d’une aussi grande qualité.

            En plus grâce à ces travaux les chercheurs confirment que les trous sont ‘sans cheveux’, ce qui veut dire que les trous noirs sont totalement caractérisés, pour nous observateurs, par leur masse, leur spin et leur charge électrique éventuelle qui sont des grandeurs intrinsèques.

            Et ce n’est pas fini…

 

[1] Nous-mêmes dans notre système solaire nous sommes à 26.000 années-lumière de Sgr A*, soit 26×1016km, qui s’énonce : 10 millions de fois 1 milliard de km.

[2] Dans ce cas nous obtenons les équations de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) au sein desquelles on peut extraire une valeur unique de la constante de Hubble.

[3] Correspondant aux quelques dernières millisecondes du signal, qui suivent immédiatement le pic du ‘chirp’.

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