Crédit d'image: NRAO
Théorisé par Einstein depuis près d'un siècle, les physiciens ont trouvé des preuves pour soutenir la théorie selon laquelle la force de gravité se déplace à la vitesse de la lumière. Des variations dans la façon dont l'image du quasar était courbée expliquaient cette vitesse de gravité.
Profitant d'un rare alignement cosmique, les scientifiques ont effectué la première mesure de la vitesse à laquelle la force de gravité se propage, donnant une valeur numérique à l'une des dernières constantes fondamentales non mesurées de la physique.
«Newton pensait que la force de gravité était instantanée. Einstein a supposé qu'il se déplaçait à la vitesse de la lumière, mais jusqu'à présent, personne ne l'avait mesuré », a déclaré Sergei Kopeikin, physicien à l'Université du Missouri-Columbia.
«Nous avons déterminé que la vitesse de propagation de la gravité est égale à la vitesse de la lumière avec une précision de 20%», a déclaré Ed Fomalont, astronome au National Radio Astronomy Observatory (NRAO) à Charlottesville, en Virginie. Les scientifiques ont présenté leurs résultats à la réunion de l'American Astronomical Society à Seattle, WA.
La mesure historique est importante pour les physiciens travaillant sur des théories de champ unifiées qui tentent de combiner la physique des particules avec la théorie générale de la relativité et la théorie électromagnétique d'Einstein.
"Notre mesure impose des limites strictes aux théories qui proposent des dimensions supplémentaires, telles que la théorie des supercordes et les théories de la brane", a déclaré Kopeikin. «La connaissance de la vitesse de gravité peut fournir un test important de l'existence et de la compacité de ces dimensions supplémentaires», a-t-il ajouté.
La théorie des supercordes propose que les particules fondamentales de la nature ne sont pas ponctuelles, mais plutôt des boucles ou des cordes incroyablement petites, dont les propriétés sont déterminées par différents modes de vibration. Les branes (un mot dérivé des membranes) sont des surfaces multidimensionnelles, et certaines théories physiques actuelles proposent des branes spatio-temporelles intégrées à cinq dimensions.
Les scientifiques ont utilisé le Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, un système de radiotélescope à l'échelle du continent, ainsi que le radiotélescope de 100 mètres à Effelsberg, en Allemagne, pour effectuer une observation extrêmement précise lorsque la planète Jupiter est passée près de devant un brillant quasar le 8 septembre 2002.
L'observation a enregistré une très légère «flexion» des ondes radio provenant du quasar de fond par effet gravitationnel de Jupiter. La flexion a entraîné un léger changement dans la position apparente du quasar dans le ciel.
"Parce que Jupiter se déplace autour du Soleil, la quantité exacte de flexion dépend légèrement de la vitesse à laquelle la gravité se propage depuis Jupiter", a déclaré Kopeikin.
Jupiter, la plus grande planète du système solaire, ne passe que suffisamment près du chemin des ondes radio d'un quasar suffisamment lumineux environ une fois par décennie pour qu'une telle mesure soit effectuée, ont déclaré les scientifiques.
L'alignement céleste une fois tous les dix ans était le dernier d'une chaîne d'événements qui permettait de mesurer la vitesse de gravité. Les autres comprenaient une rencontre fortuite des deux scientifiques en 1996, une percée dans la physique théorique et le développement de techniques spécialisées qui ont permis d'effectuer une mesure extrêmement précise.
"Personne n'avait essayé de mesurer la vitesse de la gravité auparavant parce que la plupart des physiciens avaient supposé que la seule façon de le faire était de détecter les ondes gravitationnelles", a rappelé Kopeikin. Cependant, en 1999, Kopeikin a étendu la théorie d'Einstein pour inclure les effets gravitationnels d'un corps en mouvement sur la lumière et les ondes radio. Les effets dépendaient de la vitesse de gravité. Il s'est rendu compte que si Jupiter se déplaçait presque devant une étoile ou une source radio, il pourrait tester sa théorie.
Kopeikin a étudié l'orbite prévue de Jupiter pour les 30 prochaines années et a découvert que la planète géante passerait assez près devant le quasar J0842 + 1835 en 2002. Cependant, il s'est rapidement rendu compte que l'effet sur la position apparente du quasar dans le ciel était attribuable à la vitesse de gravité serait si faible que la seule technique d'observation capable de la mesurer était l'interférométrie à très longue ligne de base (VLBI), la technique incorporée dans le VLBA. Kopeikin a ensuite contacté Fomalont, un expert de premier plan en VLBI et un observateur expérimenté en VLBA.
"J'ai immédiatement réalisé l'importance d'une expérience qui pourrait faire la première mesure d'une constante fondamentale de la nature", a déclaré Fomalont. "J'ai décidé que nous devions donner notre meilleur coup", a-t-il ajouté.
Pour obtenir le niveau de précision requis, les deux scientifiques ont ajouté le télescope Effelsberg à leur observation. Plus la distance entre deux antennes de radiotélescope est large, plus le pouvoir de résolution, ou la capacité de voir les petits détails, est réalisable. Le VLBA comprend des antennes à Hawaï, sur le continent américain et à Sainte-Croix dans les Caraïbes. Une antenne de l'autre côté de l'Atlantique a ajouté encore plus de puissance de résolution.
"Nous avons dû faire une mesure avec environ trois fois plus de précision que quiconque, mais nous savions, en principe, que cela pouvait être fait", a déclaré Fomalont. Les scientifiques ont testé et affiné leurs techniques dans des «essais à sec», puis ont attendu que Jupiter fasse son passage devant le quasar.
L'attente comprenait des morsures d'ongles considérables. Une panne d'équipement, le mauvais temps ou une tempête électromagnétique sur Jupiter aurait pu saboter l'observation. Cependant, la chance a résisté et les observations des scientifiques à une fréquence radio de 8 GigaHertz ont produit suffisamment de bonnes données pour effectuer leur mesure. Ils ont atteint une précision égale à la largeur d'un cheveu humain vue à 250 miles de distance.
«Notre objectif principal était d'exclure une vitesse de gravité infinie, et nous avons fait encore mieux. Nous savons maintenant que la vitesse de gravité est probablement égale à la vitesse de la lumière, et nous pouvons exclure en toute confiance toute vitesse de gravité supérieure au double de celle de la lumière », a déclaré Fomalont.
La plupart des scientifiques, a déclaré Kopeikin, seront soulagés que la vitesse de gravité soit cohérente avec la vitesse de la lumière. «Je crois que cette expérience jette un nouvel éclairage sur les principes fondamentaux de la relativité générale et représente la première de nombreuses autres études et observations de la gravitation qui sont actuellement possibles en raison de la précision extrêmement élevée du VLBI. Nous avons beaucoup plus à apprendre sur cette force cosmique intrigante et sa relation avec les autres forces de la nature », a déclaré Kopeikin.
Ce n'est pas la première fois que Jupiter joue un rôle dans la production d'une mesure d'une constante physique fondamentale. En 1675, Olaf Roemer, un astronome danois travaillant à l'Observatoire de Paris, a fait la première détermination raisonnablement précise de la vitesse de la lumière en observant les éclipses d'une des lunes de Jupiter.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ORANO
