Chapitre 7 : Expériences expérimentales de la théorie générale de la relativité

Dans les chapitres précédents, nous avons vu comment la théorie générale de la relativité d'Einstein a radicalement changé notre compréhension de la gravité, de l'espace et du temps. La théorie fait un certain nombre de prédictions frappantes qui diffèrent de la gravité newtonienne, comme la déviation de la lumière des étoiles par le Soleil, la précession de l'orbite de Mercure et le décalage gravitationnel de la lumière. Dans ce chapitre, nous explorerons ces prédictions en détail et examinerons les preuves observationnelles qui se sont accumulées au cours du siècle dernier pour tester la relativité générale. Nous commencerons par les trois "tests classiques" qui ont été proposés par Einstein lui-même, puis nous passerons à des tests plus modernes impliquant des phénomènes tels que le lentillage gravitationnel, les ondes gravitationnelles et les trous noirs. Comme nous le verrons, la relativité générale a réussi tous les tests avec brio, ce qui confirme sa position en tant que meilleure théorie de la gravité à ce jour.

Les trois tests classiques

Peu de temps après la publication de sa théorie générale de la relativité en 1915, Einstein a proposé trois tests observables qui pourraient potentiellement confirmer ou réfuter la théorie. Ces tests, qui sont devenus connus sous le nom de "tests classiques" de la relativité générale, étaient les suivants :

1. La précession du périhélie de Mercure
2. La déviation de la lumière des étoiles par le Soleil
3. Le décalage gravitationnel de la lumière

Examinons chacun de ces tests à tour de rôle.

La précession du périhélie de Mercure

La planète Mercure a une orbite très elliptique autour du Soleil, et son approche la plus proche (périhélie) précesse d'une petite quantité à chaque orbite. Selon la gravité newtonienne, cette précession devrait être entièrement expliquée par les tractions gravitationnelles des autres planètes. Cependant, des observations précises à la fin du XIXe siècle ont révélé un petit écart : le périhélie de Mercure avançait d'environ 43 secondes d'arc par siècle de plus que ce que prédisait la théorie de Newton.

Cette anomalie avait intrigué les astronomes pendant des décennies, et certains avaient même suggéré l'existence d'une planète invisible ("Vulcain") près du Soleil pour l'expliquer. Mais en 1915, Einstein a montré que sa théorie générale de la relativité expliquait naturellement la précession excessive de Mercure. Selon la relativité générale, la courbure de l'espace-temps autour du Soleil fait précesser l'orbite de Mercure de 43 secondes d'arc par siècle supplémentaires, en parfait accord avec les observations.

Il s'agissait d'un triomphe majeur pour la théorie d'Einstein. Elle expliquait un mystère de longue date et fournissait des preuves convaincantes de l'existence de la courbure de l'espace-temps. Aujourd'hui, la précession du périhélie de Mercure est considérée comme l'un des piliers observationnels clés de la relativité générale.

La déviation de la lumière des étoiles par le Soleil

Une autre prédiction de la relativité générale est que la lumière doit être déviée par les champs gravitationnels. Selon la théorie, un rayon de lumière passant près du Soleil devrait être courbé d'un petit angle, la déviation étant deux fois plus grande que ce que prédirait la gravité newtonienne.

Einstein a réalisé que cet effet pourrait être testé pendant une éclipse solaire totale, lorsque les étoiles près du Soleil deviennent visibles dans le ciel diurne obscurci. En comparant les positions apparentes des étoiles pendant l'éclipse à leurs positions normales la nuit, les astronomes pouvaient mesurer la déviation et voir si elle correspondait à la prédiction de la relativité générale.

La première tentative de mesurer cet effet a été faite pendant l'éclipse solaire totale de 1919, par deux expéditions dirigées par l'astronome britannique Arthur Eddington. Une équipe s'est rendue sur l'île de Principe au large de la côte africaine, tandis que l'autre est allée à Sobral, au Brésil. Malgré les défis posés par les conditions météorologiques et le matériel, les deux équipes ont réussi à photographier l'éclipse et à mesurer les positions des étoiles.

Lorsque les résultats ont été analysés, ils ont montré que la lumière des étoiles était effectivement déviée par le Soleil, avec une magnitude correspondant de près à la prédiction d'Einstein. La nouvelle a fait les gros titres dans le monde entier et a propulsé Einstein à la renommée internationale. La courbure de la lumière des étoiles par le Soleil a été perçue comme une confirmation dramatique de la relativité générale et de l'existence de l'espace-temps courbé.

Depuis 1919, le test de la déviation de la lumière a été répété de nombreuses fois avec une précision croissante, en utilisant des radiotélescopes ainsi que des télescopes optiques. Les mesures les plus précises à ce jour, effectuées avec l'interférométrie à très longue base (VLBI), ont confirmé la relativité générale à moins de 0,02 %.

Le décalage gravitationnel de la lumière

Le troisième test classique de la relativité générale concerne le décalage gravitationnel de la lumière. Selon la relativité générale, la lumière émise dans un champ gravitationnel doit être décalée vers le rouge (c'est-à-dire que sa longueur d'onde doit être augmentée) lorsqu'elle sort du puits de potentiel. Plus le champ gravitationnel est fort, plus le décalage est important.

Einstein a proposé que cet effet puisse être mesuré en utilisant les raies spectrales du Soleil. La lumière émise par les atomes dans l'atmosphère du Soleil devrait être légèrement décalée vers le rouge par rapport aux mêmes raies produites dans un laboratoire sur Terre, en raison du champ gravitationnel intense du Soleil.

Mesurer ce décalage gravitationnel s'est avéré assez difficile, en raison de la nécessité d'une spectroscopie extrêmement précise et de la présence d'autres effets pouvant décaler les raies spectrales (comme le décalage Doppler dû à la rotation du Soleil). La première mesure réussie a été réalisée en 1925 par Walter Adams, à l'aide d'un spectrographe sur le télescope de 100 pouces de l'observatoire du Mont Wilson. Adams a trouvé un décalage gravitationnel qui était cohérent avec la prédiction d'Einstein, bien qu'avec une assez grande incertitude.

Des tests plus précis du décalage gravitationnel ont été réalisés depuis lors, en utilisant l'effet Mössbauer et des horloges atomiques. Dans les années 1960, Robert Pound et Glen Rebka ont mesuré le décalage vers le rouge des rayons gamma voyageant vers le haut et vers le bas d'une tour de 22 mètres à l'université Harvard, confirmant la relativité générale à moins de 1 %. Des expériences ultérieures utilisant des horloges au maser à hydrogène embarquées sur des fusées ont vérifié le décalage vers le rouge à quelques parties sur 10^5. Le décalage gravitationnel n'est pas seulement un test clé de la relativité générale, mais aussi une préoccupation pratique pour les satellites GPS, qui subissent un décalage important dû à la gravité de la Terre. Sans correction de cet effet, la navigation GPS serait décalée de plusieurs kilomètres par jour.

Tests modernes de la relativité générale

Alors que les trois tests classiques ont été les premiers à fournir des preuves solides de la relativité générale, de nombreux autres tests ont été conçus et réalisés dans le siècle qui a suivi la publication de la théorie d'Einstein. Ces tests modernes testent la relativité générale dans des régimes nouveaux et extrêmes, et tirent parti de technologies avancées qui étaient inimaginables à l'époque d'Einstein.

L'effet de lentille gravitationnelle

Une des prédictions les plus frappantes de la relativité générale est le phénomène de la lentille gravitationnelle. Tout comme une lentille en verre plie les rayons lumineux qui la traversent, un objet massif (comme une galaxie ou un amas de galaxies) peut courber la trajectoire de la lumière d'une source lointaine, agissant comme une "lentille gravitationnelle".

Il existe trois régimes principaux de lentille gravitationnelle :

1. Lentille forte : cela se produit lorsque la lentille est suffisamment massive et suffisamment alignée pour produire plusieurs images, arcs ou anneaux de la source lointaine. La première lentille forte a été découverte en 1979, sous la forme de deux quasars jumeaux qui étaient en réalité deux images du même quasar, courbées par une galaxie en premier plan. Des centaines de lentilles fortes sont maintenant connues, et elles permettent de cartographier la distribution de la matière noire et de tester la relativité générale à l'échelle du kiloparsec.

2. Lentille faible : il s'agit d'un effet plus subtil qui se produit lorsque la masse de la lentille n'est pas suffisamment forte pour produire plusieurs images, mais déforme néanmoins les formes des galaxies lointaines. En analysant statistiquement ces déformations de forme sur de grandes zones du ciel, les astronomes peuvent cartographier la structure à grande échelle de l'univers et tester la relativité générale à l'échelle cosmique. La lentille faible est devenue une sonde clé en cosmologie ces dernières années, avec des enquêtes majeures telles que l'Enquête sur l'Énergie Sombre et l'Enquête sur un Degré fournissant des mesures de plus en plus précises.

3. Microlentille : cela se produit lorsque un objet compact (comme une étoile ou une planète) passe devant une étoile lointaine, provoquant un éclaircissement temporaire de cette dernière dû à la lentille gravitationnelle. La microlentille a été utilisée pour découvrir des exoplanètes et étudier la population de trous noirs et d'autres objets sombres dans notre galaxie. Elle permet également de tester la relativité générale à l'échelle stellaire.

La lentille gravitationnelle a fourni certaines des confirmations les plus spectaculaires de la relativité générale à ce jour. Le nombre, la distribution et les propriétés des systèmes lentillés observés concordent parfaitement avec les prédictions de la relativité générale, et ont imposé des contraintes rigoureuses aux théories alternatives de la gravité.

Ondes gravitationnelles

Peut-être le développement le plus passionnant dans le test de la relativité générale ces dernières années a été la détection directe des ondes gravitationnelles. Ce sont des déformations de l'espace-temps lui-même, produites par des masses en accélération et se propageant à la vitesse de la lumière. Einstein avait prédit l'existence des ondes gravitationnelles en 1916, mais il doutait qu'elles soient jamais détectées en raison de leur amplitude extrêmement faible.

Un siècle plus tard, l'interféromètre Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a réussi à mesurer les infimes distorsions de l'espace-temps produites par le passage des ondes gravitationnelles. La première détection, réalisée en septembre 2015, provenait de la fusion de deux trous noirs situés à environ 1,3 milliard d'années-lumière. La forme d'onde observée correspondait aux prédictions de la relativité générale avec une précision de quelques pourcents, fournissant une confirmation impressionnante de la théorie dans le régime des forts champs et des hautes vitesses.

Depuis lors, des dizaines d'autres événements d'ondes gravitationnelles ont été détectés par LIGO et son homologue européen, Virgo. Parmi ceux-ci, on compte des fusions de trous noirs binaires, d'étoiles à neutrons binaires, et même une possible fusion d'étoile à neutrons et de trou noir. Chaque événement offre un nouveau test de la relativité générale dans des conditions extrêmes, et jusqu'à présent la théorie a passé ces tests avec brio.

L'astronomie des ondes gravitationnelles a ouvert une toute nouvelle fenêtre sur l'univers, nous permettant d'étudier des régions et des événements invisibles par radiation électromagnétique. Elle a également fourni des tests extrêmement rigoureux de la relativité générale à ce jour, confirmant des prédictions clés telles que l'existence des trous noirs, la propagation des ondes gravitationnelles à la vitesse de la lumière, et le "théorème des cheveux" (qui stipule que les trous noirs sont entièrement caractérisés par leur masse, leur charge et leur rotation).

Preuves observationnelles des trous noirs

Les trous noirs sont peut-être les prédictions les plus extrêmes et énigmatiques de la relativité générale. Il s'agit de régions de l'espace-temps où la courbure devient si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper de l'horizon des événements. Les trous noirs sont une conséquence directe des équations d'Einstein, mais pendant de nombreuses années, ils étaient considérés comme une curiosité mathématique plutôt qu'une réalité physique.

Aujourd'hui, cependant, il existe des preuves observationnelles écrasantes de l'existence des trous noirs. Ces preuves proviennent de plusieurs différentes lignes de recherche :

1. Binaires à rayons X : Il s'agit de systèmes où un trou noir ou une étoile à neutrons attire de la matière d'une étoile compagne. À mesure que la matière spirale et s'échauffe, elle émet des rayons X qui peuvent être détectés par les télescopes. Les propriétés de ces émissions de rayons X, en particulier la variabilité rapide et les hautes énergies impliquées, fournissent de solides preuves de la présence d'un objet compact comme un trou noir.

2. Trous noirs supermassifs : Au centre de la plupart des galaxies, y compris notre propre Voie lactée, se trouvent des objets compacts avec des masses de plusieurs millions à plusieurs milliards de fois celle du Soleil. Ces objets sont trop massifs et compacts pour être expliqués par des amas d'étoiles ou d'autres objets connus, et leurs propriétés correspondent à celles attendues pour les trous noirs supermassifs. La meilleure preuve provient des observations d'étoiles orbitant autour du centre galactique, qui ont permis aux astronomes de mesurer avec précision la masse et la taille de l'objet central.

3. Ondes gravitationnelles : Comme mentionné ci-dessus, les signaux d'ondes gravitationnelles détectés par LIGO et Virgo correspondent aux prédictions de fusion de trous noirs. Les masses, les spins et les autres propriétés déduites de ces signaux sont cohérentes avec des trous noirs et incohérentes avec d'autres objets compacts tels que des étoiles à neutrons.

4. Télescope de l'Horizon des Événements : En 2019, la collaboration du Télescope de l'Horizon des Événements a publié la première image directe d'un trou noir. En reliant des radiotélescopes du monde entier pour former un télescope virtuel de la taille de la Terre, ils ont pu résoudre l'horizon des événements du trou noir supermassif au centre de la galaxie M87. La taille et la forme observées de l'ombre du trou noir correspondaient aux prédictions de la relativité générale, offrant une confirmation visuelle impressionnante de la théorie.

Les preuves observationnelles en faveur des trous noirs sont maintenant si solides que leur existence est considérée comme une quasi-certitude. Ils offrent certains des tests les plus extrêmes de la relativité générale, sondant la théorie dans des régions de courbure intense et de vitesses élevées. Jusqu'à présent, la RG a réussi tous ces tests, renforçant encore davantage son statut de meilleure théorie de la gravité.

Conclusion

Un siècle après sa naissance, la relativité générale reste notre théorie de la gravité la plus précise et la mieux testée. Des tests classiques proposés par Einstein aux observations de pointe des ondes gravitationnelles et des trous noirs, la théorie a fait l'objet de tests de plus en plus précis et rigoureux, et est sortie victorieuse à chaque fois.

La confirmation de la relativité générale n'est pas seulement un triomphe pour la théorie elle-même, mais pour la méthode scientifique dans son ensemble. La RG a fait plusieurs prédictions audacieuses et contre-intuitives qui différaient nettement de la gravité newtonienne et du sens commun. Cependant, lorsque ces prédictions ont été testées par des expériences et des observations soigneusement conçues, elles se sont révélées correctes. C'est l'essence de la science : faire des prédictions testables et laisser la nature être l'arbitre ultime de la vérité.

Bien sûr, aucune théorie scientifique n'est jamais complète ou définitive. Il reste encore de nombreuses questions ouvertes et des problèmes non résolus.