Les astrophysiciens observent des phénomènes quantiques théorisés depuis longtemps

Au cœur de chaque étoile naine blanche – l’objet stellaire dense qui reste après qu’une étoile a brûlé sa réserve de gaz à l’approche de la fin de son cycle de vie – se trouve une énigme quantique: à mesure que les naines blanches ajoutent de la masse, elles rétrécissent en taille, jusqu’à ce qu’ils deviennent si petits et si compactés qu’ils ne peuvent plus se maintenir, s’effondrant en une étoile à neutrons.

Cette relation déroutante entre la masse et la taille d’une naine blanche, appelée relation masse-rayon, a été théorisée pour la première fois par l’astrophysicien lauréat du prix Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar dans les années 1930. Maintenant, une équipe d’astrophysiciens de Johns Hopkins a développé une méthode pour observer le phénomène lui-même en utilisant des données astronomiques collectées par le Sloan Digital Sky Survey et un ensemble de données récent publié par l’observatoire spatial Gaia. Les ensembles de données combinés ont fourni plus de 3 000 naines blanches à l’étude de l’équipe.

Un rapport de leurs conclusions, dirigé par Vedant Chandra, senior de Hopkins, est maintenant sous presse en Journal d’astrophysique et disponible en ligne sur arXiv.

«La relation masse-rayon est une combinaison spectaculaire de mécanique quantique et de gravité, mais elle est contre-intuitive pour nous – nous pensons qu’à mesure qu’un objet prend de la masse, il devrait grossir», déclare Nadia Zakamska, professeure agrégée au Département de physique et Astronomie qui a encadré les étudiants chercheurs. «La théorie existe depuis longtemps, mais ce qui est remarquable, c’est que l’ensemble de données que nous avons utilisé est d’une taille sans précédent et d’une précision sans précédent. Ces méthodes de mesure, qui dans certains cas ont été développées il y a des années, fonctionnent tout à coup tellement mieux et ces les vieilles théories peuvent enfin être explorées. « 

L’équipe a obtenu ses résultats en utilisant une combinaison de mesures, y compris principalement l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel, qui est le changement des longueurs d’onde de la lumière du bleu au rouge lorsque la lumière s’éloigne d’un objet. C’est un résultat direct de la théorie d’Einstein de la relativité générale.

« Pour moi, la beauté de ce travail est que nous apprenons tous ces théories sur la façon dont la lumière sera affectée par la gravité à l’école et dans les manuels, mais maintenant nous voyons réellement cette relation dans les étoiles elles-mêmes », déclare Hsiang, étudiante de cinquième année. -Chih Hwang, qui a proposé l’étude et a d’abord reconnu l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel dans les données.

L’équipe a également dû expliquer comment le mouvement d’une étoile dans l’espace pouvait affecter la perception de son décalage gravitationnel vers le rouge. Semblable à la façon dont une sirène de pompier change de hauteur en fonction de son mouvement par rapport à la personne qui écoute, les fréquences lumineuses changent également en fonction du mouvement de l’objet émetteur de lumière par rapport à l’observateur. C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler, et c’est essentiellement un «bruit» distrayant qui complique la mesure de l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel, explique le contributeur de l’étude Sihao Cheng, un étudiant diplômé de quatrième année.

Pour tenir compte des variations causées par l’effet Doppler, l’équipe a classé les naines blanches dans leur ensemble d’échantillons par rayon. Ils ont ensuite fait la moyenne des décalages vers le rouge des étoiles de taille similaire, déterminant efficacement que peu importe où une étoile elle-même se trouve ou où elle se déplace par rapport à la Terre, on peut s’attendre à ce qu’elle ait un décalage gravitationnel intrinsèque d’une certaine valeur. Considérez-le comme une mesure moyenne de tous les pas de tous les véhicules de pompiers se déplaçant dans une zone donnée à un moment donné – vous pouvez vous attendre à ce que tout véhicule de pompiers, quelle que soit la direction dans laquelle il se déplace, aura un pas intrinsèque de cette moyenne valeur.

Ces valeurs de décalage vers le rouge gravitationnelles intrinsèques peuvent être utilisées pour étudier les étoiles observées dans les futurs ensembles de données. Les chercheurs affirment que les ensembles de données à venir, plus grands et plus précis, permettront de peaufiner davantage leurs mesures et que ces données pourraient contribuer à l’analyse future de la composition chimique de la naine blanche.

Ils disent également que leur étude représente une avancée passionnante de la théorie aux phénomènes observés.

« Parce que l’étoile devient plus petite à mesure qu’elle devient plus massive, l’effet de décalage vers le rouge gravitationnel croît également avec la masse », explique Zakamska. « Et c’est un peu plus facile à comprendre – il est plus facile de sortir d’un objet moins dense et plus gros que de sortir d’un objet plus massif et plus compact. Et c’est exactement ce que nous avons vu dans les données. »

L’équipe trouve même des publics captifs pour leurs recherches à la maison – où ils ont mené leur travail au milieu de la pandémie de coronavirus.

« La façon dont je l’ai vanté à mon grand-père est que vous voyez essentiellement la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d’Einstein se réunir pour produire ce résultat », dit Chandra. « Il était très excité quand je l’ai dit de cette façon. »