Cent ans après la formulation de la théorie de la relativité générale par Einstein, l’une de ses prédictions les plus troublantes continue d’interroger : dans quelle mesure la proximité de corps massifs comme les planètes, les étoiles ou les trous noirs ralentit-elle le temps ?

Dix ans après avoir, avec la théorie de la relativité restreinte, bouleversé les conceptions établies sur l’immuabilité du temps, Albert Einstein récidivait avec sa théorie de la relativité générale. Alors qu’en 1905 il avait démontré qu’une horloge embarquée dans un véhicule en mouvement « retardera » par rapport à celle restée immobile, en 1915, il prédisait que, tout comme la vitesse, le champ gravitationnel généré par un corps massif ralentissait les horloges ; et cela d’autant plus que l’horloge était proche du corps en question.

Plus d’une quarantaine d’années avant l’envoi des premiers satellites, cette prédiction, appelée « effet Einstein », était aussi audacieuse que difficilement vérifiable. Et ce d’autant plus que cet effet semblait relativement négligeable dans les champs gravitationnels générés par les corps célestes (planètes, étoiles, etc.) observés par les astronomes de l’époque. Quant aux trous noirs, bien qu’ils aient été prédits par les équations de la relativité générale, leur existence ne sera démontrée que dans les années 1970.

Une validation de plus en plus précise

Il a donc fallu attendre 1959 pour que deux chercheurs de l’université de Harvard, Robert V. Pound et Glen A. Rebka, apportent une première validation empirique du phénomène de dilatation temporelle par une expérience réalisée au sol. Nouvelle confirmation en 1976, lorsque la sonde Gravity Probe A, emportant à son bord une horloge atomique ultraprécise, fut envoyée dans l’espace à une altitude de 10 000 kilomètres. Les données de l’instrument révélèrent que, pour ce dernier, le temps passait plus vite – de l’ordre de 40 microsecondes par jour au plus haut de sa trajectoire – que pour une horloge restée au sol. Cet effet a également dû être pris en compte pour les systèmes de localisation géographiques de type GPS, qui se basent sur la comparaison des données temporelles fournies par les horloges atomiques embarquées par une constellation de satellites. Le GPS constitue ainsi, non seulement une validation, mais aussi, à ce jour, une des seules applications « grand public » de la théorie de la relativité générale.



Avec Pharao, ce

sera la première

fois qu’une horloge

atomique aussi

précise sera mise

en orbite. Toutefois, pour les physiciens, la moindre déviation par rapport aux prédictions d’Einstein pouvant ouvrir la voie vers une nouvelle physique, il est important de repousser le plus loin possible la précision des mesures. C’est dans ce but qu’en février 2017 l’horloge atomique Pharao sera installée à bord de la Station spatiale internationale (ISS), à 400 kilomètres d’altitude. Élément central de l’expérience Aces (pour Atomic Clock Ensemble in Space), elle permettra de vérifier le décalage gravitationnel avec une incertitude cinquante fois plus faible que celle de Gravity Probe A.

« Ce sera la première fois qu’une horloge aussi précise sera mise en orbite », se félicite Peter Wolf, responsable de l’analyse des données d’Aces au laboratoire Syrte (Systèmes de référence temps-espace) , qui a participé à la conception de Pharao.

Le secret d’une telle exactitude ? Comme toutes les horloges atomiques, Pharao mesure le temps en fonction de l’excitation des atomes, dont l’oscillation équivaut au tic-tac de la trotteuse d’une montre. Mais ici, ces derniers « sont refroidis par laser à une température proche du microkelvin, soit quasiment le zéro absolu », explique Peter Wolf. Ce faisant, « leur mouvement diminue et, lorsqu’ils ne bougent pas, on peut mieux les observer, ce qui nous donne une mesure du temps plus précise ». Ajoutez à cela un système de comparaison par radio entre l’horloge Pharao en orbite et ses jumelles situées au sol, et notre horloge « à jet froid d’atomes » sera capable de quantifier la dilatation temporelle avec une marge d’erreur d’une seconde tous les 300 millions d’années !

Les trous noirs, test ultime de la relativité générale

« La théorie d’Einstein est extrêmement performante dans un champ gravitationnel faible, par exemple quand on l’étudie au voisinage de la Terre », explique l’astrophysicien Guy Perrin, « mais il manque un test : en champ extrêmement fort, comme celui que l’on trouve près d’un trou noir. » Or juste au centre de notre galaxie, on sait que réside Sagittarius A*, un super-trou noir 4 millions de fois plus massif que le Soleil !

Il manque un

test de la théorie

d’Einstein

dans un champ

très fort, tel celui

près d’un trou

noir. L’occasion pour Guy Perrin et son équipe du Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique (Lésia) de confirmer la présence d’un trou noir et de mesurer ses effets en champ fort, c’est-à-dire à proximité quasi immédiate de l’objet. Situé à 26 000 années-lumière, vu de la Terre, sa taille apparente dans le ciel est équivalente à celle de deux pièces d’un euro posées sur la Lune. « Du coup, explique le chercheur, pour l’observer, il n’y a pas 36 solutions : on a besoin d’un instrument de très grande taille. »

Alors, comment faire ? C’est ici qu’entre en scène l’interféromètre Gravity qui, en combinant la lumière collectée par quatre télescopes du Very Large Telescope (VLT) situés dans le désert d’Atacama, au Chili, permettra dès novembre prochain de disposer de l’équivalent d’un super-télescope de 140 mètres de diamètre. Conçu et développé avec la participation du Lésia, cet instrument donnera ainsi une vision plus précise des étoiles qui gravitent autour de Sagittarius A*.

Outre le mouvement de celles-ci, Gravity mesurera aussi celui de points chauds potentiels. Ces blocs de matière, échauffés par les forces de marée exercées par le trou noir, émettent des flashs lumineux près de son horizon. « Même si la résolution ne permettra pas à Gravity de faire une cartographie de ces points chauds, explique Guy Perrin, en mesurant leur trajectoire, nous pourrons analyser la métrique de l’espace-temps dans cette zone. » Autrement dit, la manière dont le trou noir déforme l’espace autour de lui, et donc le temps, puisque dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, espace et temps forment un même ensemble, le continuum espace-temps.

Vers une nouvelle théorie de la gravitation ?

Pour étudier le ralentissement temporel dû à Sagittarius A*, les chercheurs se penchent aussi sur une autre de ses manifestations : le décalage vers le rouge (redshift) gravitationnel. Les ondes lumineuses sont en effet étirées – leur fréquence diminue – lorsqu’elles traversent le champ gravitationnel d’un corps massif. « Ce qui se traduit par un décalage vers le rouge découlant d’une apparente dilatation du temps, comme on l’a observé avec le rayonnement émis par des noyaux de fer dans un disque de matière attiré par un trou noir », rappelle Éric Gourgoulhon, du Laboratoire univers et théories (Luth) .

« Si la théorie de la relativité générale fonctionne très bien pour décrire l’horizon du trou noir, elle rencontre ses limites dans la description de la singularité centrale, située au-delà de cet horizon, note cependant ce spécialiste du comportement de la matière en champ gravitationnel fort, Médaille d’argent du CNRS en 2012. Nous aurons donc besoin d’englober la relativité générale dans une théorie plus fine, comme la théorie des cordes ou la gravitation quantique à boucles, ce que nous testerons dans les années qui viennent. »



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