Les vérifications de la relativité générale


Étant donné le bouleversement total de la physique qu’impliquait la relativité générale, il fallait bien évidemment prouver que la théorie était correcte, qu’il ne s’agissait pas uniquement d’une magnifique construction intellectuelle, mais bien d’une description du monde réel. Les premières confirmations observationnelles arrivèrent très rapidement et jusqu’à nos jours aucun test expérimental n’a réussi à prendre la théorie en défaut.

La précession du périhélie de Mercure

La première confirmation fut apportée par Einstein lui-même, lorsqu’il appliqua la relativité générale au mouvement des corps du système solaire. Nous avons vu que l’orbite de la Terre était une ellipse. Si notre planète était la seule à tourner autour du Soleil cette ellipse serait fixe. Mais les autres planètes ont une influence gravitationnelle et perturbent le mouvement de la Terre. Le résultat est que l’ellipse n’est pas fixe, mais tourne très lentement sur elle-même. Cet effet, appelé la précession du périhélie, concerne toutes les planètes et s’explique très bien en utilisant les lois de Newton.

Les observations astronomiques ont montré que l’ellipse de chaque planète du système solaire tourne bien à la vitesse prédite par la mécanique classique, sauf Mercure. L’ellipse de la planète la plus proche du Soleil tourne légèrement plus vite qu’elle ne devrait. L’avance est très faible, environ 43 secondes d’arc par siècle, mais néanmoins mesurable à long terme.

C’est à ce problème qu’Einstein appliqua sa nouvelle théorie. En effet, la déformation de l’espace-temps autour du Soleil étant maximale au niveau de Mercure, un désaccord avec la physique de Newton y est fort possible. Einstein montra en 1915 qu’en appliquant la relativité générale au mouvement de cette planète, il arrivait à calculer une valeur de la précession du périhélie égale à celle que l’on mesurait. C’était une première confirmation éclatante du bien fondé de sa théorie.

Plus récemment un phénomène similaire a été observé dans une étoile binaire dont l’un des membres est un pulsar. Cette situation est idéale car l’observation radio du pulsar permet de déterminer les mouvements au sein du couple. La précession du périhélie est beaucoup plus forte dans ce cas, de l’ordre de quatre degrés par an, ce qui n’a pas empêché les prédictions de la relativité générale d’être parfaitement vérifiées.

La précession du périhélie de Mercure

La précession du périhélie de Mercure (très exagérée sur ce diagramme) ne s’explique pas en mécanique classique, mais s’interprète très bien dans le cadre de la relativité générale. Crédit : Wikimedia Commons

La déviation des rayons lumineux

La deuxième confirmation de la relativité générale arriva en 1919 lorsque des observations confirmèrent que la trajectoire des rayons lumineux est courbée en présence de masse. Le Soleil déforme l’espace-temps autour de lui, ce qui entraîne une légère déviation des rayons lumineux qui passent à sa proximité. Cela signifie qui si vous observez des étoiles à un moment où elles apparaissent proches du disque solaire, leur position apparente doit être légèrement modifiée. Par exemple, l’image des étoiles les plus proches du disque solaire doit se déplacer de 1,75 secondes d’arc.

Pour vérifier cette prédiction, il fallait organiser une observation en deux temps. La première opération consistait à prendre une photographie des étoiles proches du disque solaire lors d’une éclipse de Soleil, lorsque la lumière de notre étoile est masquée par la Lune. Ensuite il fallait prendre un deuxième cliché de la même région du ciel lorsque le Soleil s’était suffisamment éloigné et que les rayons lumineux n’étaient plus perturbés. La comparaison des deux images devait montrer directement si la position des étoiles avait changé.

L’astrophysicien anglais Arthur Eddington et d’autres astronomes firent cette expérience en 1919. Ils constatèrent que la position des étoiles avait effectivement changé entre les deux clichés et que le déplacement était celui que la relativité générale prédisait. Ce deuxième succès confirma pour de bon la portée de la relativité générale et fit rapidement d’Einstein une célébrité mondiale.

Le ralentissement du temps et l’effet Einstein

Le troisième type de prédiction concerne le ralentissement du temps au voisinage d’un corps massif. Une fois encore la théorie fut vérifiée par l’expérience. Une horloge atomique fut placée à bord d’un avion volant à 10 kilomètres d’altitude. Au retour, elle avait quelques milliardièmes de seconde d’avance sur une horloge identique qui était restée au sol (attention à ne pas confondre avec l’effet de dilatation du temps qui est dû à un mouvement relatif, pas à la gravité). Le temps s’était bel et bien écoulé un peu plus lentement à la surface de la Terre qu’à une altitude de 10 kilomètres.

D’autres expériences mirent en évidence un phénomène associé au précédent : l’effet Einstein. Imaginons qu’un rayonnement de longueur d’onde donnée est émis à la surface d’un corps massif. Pour un observateur au loin, qui voit le temps s’écouler plus lentement à la surface de l’astre, la période de la lumière et sa longueur d’onde apparaissent légèrement plus longues. Ainsi, par exemple, la lumière jaune serait légèrement décalée vers le rouge.

Ceci a été vérifié pour le rayonnement provenant de plusieurs naines blanches, le décalage relatif étant dans ce cas de l’ordre de quelques cent-millièmes. L’effet Einstein a également été mesuré sur Terre. Le décalage de longueur d’onde entre la base et le sommet d’un immeuble de 20 mètres n’est que d’un millionième de milliardième, mais il a été possible de le mettre en évidence et de vérifier l’accord avec la relativité générale.

L’effet géodétique et le gravitomagnétisme

Deux effets ont été confirmés beaucoup plus récemment par l’analyse de données obtenues par Gravity Probe B, une sonde lancée en avril 2004 et qui est restée en orbite polaire autour de la Terre pendant 17 mois.

La première confirmation concerne l’effet géodétique. Nous avons tous appris à l’école que la circonférence d’un cercle est égale à deux fois pi fois le rayon du cercle. En fait, d’après la relativité générale, la masse de notre planète déforme légèrement l’espace-temps autour d’elle et, pour cette raison, la circonférence d’un grand cercle autour de la Terre est légèrement plus courte que cela.

La deuxième confirmation concerne l’effet Lense-Thirring (ou gravitomagnétisme), qui est lui provoqué par la rotation de la Terre. Imaginez une cuillère en train de tourner sur elle-même au centre d’un pot de miel. Avec un peu de patience, tout le miel du pot finit par se déplacer et suivre la rotation centrale. D’une façon similaire, l’espace-temps autour de la Terre est entrainé par la rotation de celle-ci.

La mission Gravity Probe B emportait en son sein quatre sphères de quartz, recouvertes de niobium supraconducteur. Ces sphères tournaient sur elles-mêmes à une vitesse de 5.000 tours par minutes. Elles constituaient donc des gyroscopes et les deux effets relativistes ci-dessus devaient en théorie se manifester par une lente dérive, infinitésimale mais mesurable, de leur axe de rotation par rapport à la voûte céleste.

Les quatre gyroscopes étaient les objets les plus sphériques jamais créés sur Terre afin d’éviter au maximum de noyer les conséquences de la relativité générale sous des effets plus classiques. Malheureusement des imperfections restaient et il fallut cinq ans d’analyses pour arriver aux résultats annoncés le 3 mai 2011. Ceux-ci montrent que les mesures de la sonde sont en accord avec les prédictions de la relativité générale. L’effet géodétique provoque ainsi une dérive de 6.6 secondes d’arc par an et l’effet Lense-Thirring une dérive de 0.037 seconde d’arc par an.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger