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Gravity Probe B : Einstein avait-il raison ?

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Les premiers résultats des mesures effectuées avec le satellite Gravity Probe B viennent d'être rendus publics par la NASA et l'Université de Stanford. Lancé en 2004, ce satellite destiné à tester la théorie de la relativité générale est en fait l'aboutissement d'un projet pensé en 1959 par Leonard Schiff, William Fairbank et Robert Cannon.

Deux prédictions particulières de la théorie d'Einstein ont ainsi attendu près de 40 ans que la technologie progresse suffisamment pour pouvoir être testées, l'effet Einstein-De Sitter et l'effet Lense-Thirring. Le premier a été confirmé, mais on devra encore attendre la fin de l'année 2007 pour savoir si Einstein triomphera une fois de plus ou si une nouvelle physique fera son apparition.

Principes de l'expérience GPB pour mesurer le gravitomagnétisme (Crédits : Stanford University).

Gravity Probe B a donc tourné pendant trois ans autour de la Terre. En son cœur se trouvent quatre sphères de quartz de la taille d'une boule de ping-pong et recouvertes d'une couche de niobium. Ce sont les sphères les plus parfaites jamais construites par l'humanité, avec des défauts dont l'épaisseur est de moins de 40 atomes. Refroidies par de l'hélium liquide à moins de 2 K, elles sont dans un état supraconducteur, ce qui permet de constituer des gyroscopes d'une grande précision en mesurant des champs magnétiques faibles associés au moment cinétique de ces sphères à l'aide de SQUID.

A cause de la nature particulière de la gravitation en relativité générale, la courbure de l'espace-temps et la rotation de la Terre produisent des modifications spécifiques, bien que très faibles, de l'axe de rotation de ces gyroscopes au cours du temps.

L'effet Einstein-De Sitter (en anglais geodetic precession) est le plus facilement testable et, de fait, la modification de 0,0018°/an de la direction des axes de rotation a bien été mise en évidence. Par contre, l'effet Lense-Thirring, dit encore effet d'entraînement des référentiels (en anglais frame-dragging precession ), est lui beaucoup plus faible et difficile à mettre en évidence. Il n'est que de 0,000011°/an et des effets électrostatiques imprévus ont rendu sa mise en évidence plus délicate. Il faut en effet tenir compte d'une perturbation supplémentaire du signal mesuré, afin de l'extraire efficacement et sans déformer les résultats des mesures. C'est pourquoi un délai de plusieurs mois a été annoncé, ce qui nous reporte en décembre 2007.

La précision de la mesure de l'effet Einstein-De Sitter atteint quand même 1%. Cet effet avait été prédit par l'astronome Hollandais Willem De Sitter en 1916, juste après la touche finale apportée par Einstein à sa théorie de la relativité générale. Il s'agissait de modifications des prévisions du mouvement du système Terre-Lune dans le champ de gravitation du Soleil décrit par la théorie de Newton.

L'effet Lense-Thirring relève quant à lui de ce qu'on appelle le gravitomagnétisme. Lorsque le champ de gravitation est suffisamment fort pour s'écarter des prévisions de Newton, tout en restant assez faible tout de même, la relativité générale se réduit à un ensemble de lois approchées ayant la forme des lois de l'électromagnétisme où le champ tensoriel de la gravitation relativiste se comporte comme si il y avait deux champs vectoriels gravitationnels Eg et Bg vérifiant formellement des équations Maxwelliennes.

Le mouvement de corps matériels neutres sous l'effet de la gravitation ressemble alors à celui de corps chargés. Prévenons tout de suite le lecteur que cette analogie a des limites, et qu'il serait une très grossière erreur d'expliquer les forces électromagnétiques par de la gravitation relativiste ou, inversement, à l'aide de ces résultats.

Au final, le mouvement des gyroscopes autour de la Terre en rotation est affecté d'effets similaires à ceux qu'ils expérimenteraient s'ils étaient dans un référentiel en rotation ou s'ils possédaient un moment magnétique dans un champ magnétique. Cette dernière analogie justifiant à nouveau l'emploi du terme gravitomagnétisme en liaison avec l'effet Lense-Thirring.

Certains attendent beaucoup de la mesure de ce dernier effet car, potentiellement, des théories de la gravitation alternatives à celle d'Einstein commencent à prédire des effets différents précisément au niveau de finesse auquel cette expérience est sensible. Le modèle standard de la physique est en train de devenir passablement frustrant pour les physiciens à la recherche de nouveaux territoires à conquérir ; il marche trop bien alors que sa structure théorique comporte de nombreux défauts. Il serait temps que l'expérience nous donne une porte ouverte sur un nouveau monde, celui des cordes par exemple.

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