Naviguer à l'aide d'un GPS, c'est utiliser la courbure de l’espace-temps et l'existence de trous noirs massifs. Aujourd'hui, ce système de navigation a encore gagné en précision, cette fois grâce à une nouvelle carte de la position de certains quasars.
Cela vous intéressera aussi

A quoi peut bien servir l'étude de la relativité généralerelativité générale et celle des trous noirs supermassifs installés à des milliards d'années-lumièreannées-lumière ? Ne vaut-il pas mieux dépenser de l'argentargent sur des problèmes concrets, utiles dans la vie de tous les jours ? Si les chercheurs avaient tous suivi ce genre de raisonnement, nous ne disposerions pas aujourd'hui de technologies comme celle du Global Positioning System (GPSGPS).

Sans les travaux de Riemann, Minkowski et EinsteinEinstein, en effet, nous ne saurions pas décrire et comprendre l'effet de la courbure de l'espace-tempsespace-temps sur le rythme des horloges plongées dans un champ de gravitationgravitation. Plus le champ de gravitation est fort aux abords d'un astreastre plus le temps s'y écoule lentement. Ainsi, plus on s'éloigne de la surface de la TerreTerre plus une horloge atomiquehorloge atomique mesurera un écoulement du temps rapide par rapport à celui d'une autre horloge restée au sol.

L'effet est très faible et les astronautesastronautes en orbiteorbite à bord de l'ISSISS ne reviennent pas sur Terre sensiblement plus âgés, si ce n'est de quelques fractions de seconde seulement. Toutefois, on ne peut plus négliger les effets relativistes lorsqu'on cherche à mesurer précisément la position d'un objet sur Terre en mesurant les distances à partir des temps de trajets d'ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques entre cet objet et des satellites en orbite.

Sans la prise en compte des effets sur le temps prédits et calculés par les équationséquations de la relativité générale, le GPS deviendrait vite inutilisable. Il existe d'ailleurs une anecdote connue, selon laquelle un général américain qui ne croyait pas à la théorie de la relativité avait sommé les ingénieurs à l'origine des premiers essais du réseau GPS de ne pas tenir compte de la « fumeuse théorie » d'Albert Einstein. Il dut se rendre à l'évidence. Sans les corrections de temps impliquées par la relativité générale, il finissait par perdre ses troupes...

Même en tenant compte de la relativité, ce n'est cependant pas suffisante pour obtenir une haute précision avec le GPS. En effet, la connaissance de la position des satellites en orbite est elle aussi nécessaire. Mais la position par rapport à quoi ?

Le géoïde est un référentiel imparfait

Du fait des forces de maréeforces de marée du SoleilSoleil et de la LuneLune ainsi des changements de répartition de grandes massesmasses terrestres (par exemple les courants océaniques et la circulation atmosphériquecirculation atmosphérique), notre planète effectue en réalité une série de mouvementsmouvements complexes dont la précessionprécession simple d'une toupie ne rend pas compte. Il se pose alors la question d'un référentielréférentiel suffisamment fixe pour que l'on puisse y rapporter les mouvements des satellites avec une très grande précision.

On pourrait penser utiliser la position sur la sphère céleste de quelques étoiles immobiles comme cela se fait depuis longtemps déjà. Malheureusement, les étoilesétoiles de la GalaxieGalaxie ne sont pas vraiment fixes comme on le pensait du temps d'AristoteAristote et même encore du temps de GaliléeGalilée et de NewtonNewton. Il faut utiliser des astres beaucoup plus lointains dont les mouvements apparaissent nuls à l'échelle de précision des mesures nécessaires pour le bon fonctionnement des GPS.

Nous connaissons de tels astres, il s'agit des quasars !

Une représentation d'artiste du noyau actif d'une galaxie. Il s'agit d'un trou noir géant en rotation accrétant de la matière et rayonnant d'impressionnantes quantités d'énergie. Crédit : Nasa/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)
Une représentation d'artiste du noyau actif d'une galaxie. Il s'agit d'un trou noir géant en rotation accrétant de la matière et rayonnant d'impressionnantes quantités d'énergie. Crédit : Nasa/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Découverts au début des années 1960, les quasarsquasars sont situés majoritairement à plusieurs milliards d'années-lumière et sont le plus souvent détectés par leurs émissionsémissions en ondes radioradio. Les quasars sont des trous noirstrous noirs géants en rotation, des trous noirs de Kerrtrous noirs de Kerr donc, dont les masses sont de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires.

Déjà, en 1995, une carte de la position d'environ 600 quasars, résultat de quatre années de travail patient, avait été dressée et servait de référence pour le GPS. Son nom : International Celestial Reference Frame (ICRF). Une nouvelle carte, plus précise et ajoutant des quasars, vient d'être rendue publique.

Pour ce faire, il a fallu mobiliser le Very Long Baseline Interferometer (VLBIVLBI). Ce célèbre réseau de radiotélescopesradiotélescopes s'étend sur plusieurs continents et permet, en combinant leurs observations, de disposer de l'équivalent d'un seul radiotélescope géant dont la parabole aurait une taille de plusieurs milliers de kilomètres.

La résolutionrésolution obtenue est si grande qu'il devient possible de sonder la structure spatiale des quasars, à des milliards d'années-lumière de nous. La tâche n'est cependant pas simple car les mouvements de la tectonique des plaquestectonique des plaques, donc la dérive des continents, doivent être pris en compte pour corriger les mesures de positions...

La nouvelle carte, baptisée ICRF2, contient maintenant pas loin de 3.000 quasars et elle a été reconnue en août 2009 par l'International Astronomical Union (IAUIAU). Elle ne sert pas uniquement au GPS terrestre. Les ingénieurs chargés de la navigation des sondes spatiales peuvent grâce à elle bénéficier de mesures encore plus précises et optimiser les missions. Peut-être découvriront-ils grâce à cela de la nouvelle physiquephysique avec des tests comparant les prédictions de la mécanique céleste basée sur la relativité générale à celles basées sur des modifications de la théorie d’Einstein.