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Les ondes radio des quasars confirment la relativité générale

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Pour beaucoup de physiciens, la théorie de la relativité générale est la plus belle des théories. Malheureusement, ses prédictions sont parfois difficiles à comparer avec celles de théories alternatives de la gravitation. La récente observation de la déviation, due au Soleil, des ondes radio émises par des quasars est une nouvelle voie pour éliminer les théories concurrentes... ou la théorie d'Einstein elle-même.

La trajectoire du Soleil sur la sphère céleste l'a conduit à passer entre 4 quasars qui sont de puissantes radiosources. Comme les ondes lumineuses, les ondes radio sont déviées par la gravitation. Crédit : 2009 Associated Universities, Inc.

Comme le disait Albert Einstein, quiconque comprend vraiment la théorie de la relativité générale (RG) ne peut échapper à sa magie et comme le disait le grand physicien Lev Landau, c'est probablement la plus belle des théories physiques. Il ajoutait même que la fascination pour la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein était un trait révélateur de physicien théoricien né.

Malheureusement, même si avec Roger Penrose on peut considérer que la diminution de la période orbitale des pulsars binaires en raison de l'émission d'ondes gravitationnelles constitue un test puissant de la relativité générale d'Einstein, elle souffre de sa comparaison avec la théorie la plus précise et la mieux vérifiée dont dispose l'esprit humain, l'électrodynamique quantique.

C'est surtout lorsque que l'on cherche à comparer les prédictions de la RG avec d'autres théories de la gravitation que les choses deviennent gênantes. Le plus souvent, ces théories retiennent l'idée d'un espace-temps courbe avec une métrique mais modifient les équations d'Einstein d'une façon ou d'un autre. C'est pourquoi on parle de théories métriques de la gravitation.

Appliquées au calcul du champ de gravitation produit par le Soleil ou la Terre, ces théories prédisent des écarts paramétrés par des constantes aux prédictions de la relativité générale. Malheureusement, à part dans certains cas, ces écarts sont jusqu'à présent au-delà de la précision des mesures.

Certaines théories ont bien été éliminées mais d'autres, comme la théorie des supercordes, prédisent des modifications tellement faibles qu'il est difficile de faire des vérifications, comme par exemple dans le cas du principe d'équivalence pour la chute des corps de Galilée. On essaie aussi de faire des tests en liaison avec la rotation des masses comme avec Gravity Probe B. Mais là encore les mesures restent délicates à obtenir.

Plus que jamais, la nécessité d'aller au-delà du modèle standard ainsi que de dépasser l'héritage d'Einstein s'impose aux physiciens. Les nouveaux outils mis à leur disposition sont en train de repousser les limites, comme on l'a vu récemment avec le satellite Fermi.

Une réplique de l'expérience de 1919

Sergei Kopeikin, de l'université du Missouri, et Edward Fomalont, du National Radio Astronomy Observatory (NRAO), viennent de publier avec leurs collègues les résultats d'observations réalisées en 2005 qui permettent d'envisager de pousser un cran plus loin les tests des prédictions de la relativité générale.

L'un des premiers tests observationnels de la RG a été celui de la déviation par le Soleil des rayons lumineux de certaines étoiles à l'occasion d'une éclipse de Soleil en 1919. Rétrospectivement, les mesures de l'époque n'étaient pas probantes mais les nouvelles observations réalisées des années plus tard sont toutes compatibles avec la théorie d'Einstein.

Kopeikin et Fomalont ont répété les observations de l'éclipse de 1919 mais en considérant cette fois les déviations des ondes radio émises par quatre quasars, à l'occasion du passage du Soleil proche de leur position sur la sphère céleste en 2005.

Pour cela, ils ont utilisé le Very Long Baseline Array (VLBA), un réseau de radiotélescopes répartis sur la planète et fonctionnant par interférométrie. L'un des paramètres permettant de comparer les prédictions de la RG concernant les déviations des ondes lumineuses avec d'autres théories concurrentes se note gamma. En RG il vaut précisément 1 et les observations, après un traitement préalable faisant intervenir les propriétés du plasma de la couronne solaire, donnent :

gamma = 0,9998 +/- 0,0003

On le voit, l'accord avec la RG est plutôt bon mais une précision similaire avait déjà été atteinte. Toutefois, les chercheurs pensent pouvoir affiner les mesures et gagner au moins in facteur 4. S'ils y parviennent, cela constituera alors le test le plus précis connu à ce jour de la valeur de gamma.