La théorie de la relativité générale mise à l’épreuve

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26 septembre 2016

Une équipe de chercheurs du Département d’Astronomie et de Physique de l’université de Waterloo ont mis au point une nouvelle façon de tester la théorie de la relativité générale d’Einstein au sein de Sagittarius A * - le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

Tim Johannsen et Avery Broderick, avec des collègues internationaux, utiliseront une nouvelle méthode dans des conditions gravitationnelles qui sont si extrêmes que les résultats marqueront le début d’une nouvelle ère dans la recherche gravitationnelle : valider - ou infirmer - la relativité générale dans ses manifestations les plus exotiques.

« Sur la base des observations que nous nous attendons à faire ce printemps avec le télescope Event Horizon, nous serons en mesure de faire des déclarations incroyablement précises sur la nature de ce trou noir », explique le Dr. Johannsen, chercheur post-doctoral au sein du Perimeter Institute for Theoretical Physics. « La résolution et la sensibilité des données avec lesquelles nous allons travailler sont sans précédent. »

Le télescope Event Horizon est un réseau mondial de télescope radio couvrant la Terre, créant ainsi un récepteur de la taille de notre planète. Son but principal est de représenter deux trous noirs supermassifs : Sagittarius A * et un autre situé dans le centre de la galaxie M87. Les images ne sont pas capturées dans la lumière visible, mais dans la partie radio du spectre électromagnétique.

La méthode des chercheurs, décrite dans une publication d’un numéro récent de la prestigieuse revue Physical Review Letters, propose de comparer les prévisions faites par la relativité générale avec la première image en direct de Sagittarius A *, un trou noir de quatre millions de fois la masse du soleil.

Leurs calculs explorent ce à quoi Sagittarius A * ressemblera si la relativité générale tient bon, mais plus important encore ce à quoi cela pourrait ressembler si les prédictions de la théorie échouent.
« C’est ainsi que fonctionne la science », explique le Dr. Johannsen. « Toute théorie doit être validée expérimentalement avec un niveau de précision de plus en plus élevé. »

Jusqu’à présent, la relativité générale a pour la plupart, seulement été testée là où la gravité est faible et Einstein a fait une petite correction à la théorie de Newton. Tout en rassurant, cela signifie que l’application de la relativité générale à ses environnements les plus extrêmes se heurte à une extrapolation. Même le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), laser qui a permis la détection révolutionnaire des ondes gravitationnelles plus tôt cette année, a essentiellement assumé que la relativité générale était valable dans les conditions extrêmes d’un trou noir binaire en fusion.

« La relativité générale est la norme absolue en théorie de la gravitation et elle a passé tous les tests de champ faible. Mais elle pourrait encore totalement échouer autour des trous noirs où la gravité est de plusieurs ordres de grandeur plus importante que tout ce que nous avons testé jusqu’à présent », déclare le Dr. Johannsen.

Une image vaut mieux que mille mots

Un trou noir est si compact que ni la matière, ni la lumière ne peuvent échapper à son extrême gravité. Dans la relativité générale, les trous noirs ont d’abord été prédits par Karl Schwarzschild il y a exactement cent ans comme solution apparemment impossible aux équations de champ d’Einstein : créer un objet avec un volume nul et vous créez un abîme infini dans le tissu de l’espace-temps.

Quel meilleur endroit donc pour tester les limites de la théorie de la relativité générale d’Einstein ?

Pour ce faire, les scientifiques vont comparer leur image modèle de prédiction avec l’image tant attendue du Sagittaire A * fournie par télescope Event Horizon. Ce sera la première fois que nous verrons vraiment un trou noir.

Selon la relativité générale, un trou noir comme Sagittarius A * doit présenter une ombre presque circulaire sur la base de seulement deux propriétés – la masse et le spin. Ceci est une conséquence directe de la simplicité des trous noirs dans la théorie d’Einstein. Si les chercheurs constatent que l’ombre nécessite des paramètres supplémentaires, par exemple, si elle est ovale ou en forme de cœur, alors la relativité générale doit être incomplète.

« Tout comme la relativité générale est une petite correction à la gravité newtonienne dans notre système solaire, nous pouvons également avoir besoin d’une telle correction à la relativité générale dans un régime gravitationnel fort », explique le Dr. Johannsen.

Les résultats préliminaires découlant de l’utilisation seulement trois des huit sites du télescope Event Horizon soutiennent la théorie d’Einstein de la relativité générale. Mais quand les huit sites seront alignés ce printemps, les observations seront tellement sensibles et fortes que leur conclusion sera presque absolue.

Avery Broderick est professeur associé au Département de physique et d’astronomie à l’Université de Waterloo et membre du Perimeter Institute for Theoretical Physics.

Les co-auteurs incluent également l’ancien étudiant en master du Département de Physique et d’Astronomie Carlos Wang, Shepard Doeleman de l’Observatoire astronomique Smithsonian, Vincent Poisson du MIT, Abraham Loeb de l’Université de Harvard, et Dimitrios Psaltis de l’Université de l’Arizona.

Pour en savoir plus :
Physical Reviews Letters : Testing General Relativity with Accretion-Flow Imaging of Sgr A*
Physical Review Letters, 117, 091101, DOI :http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.091101
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.091101

Source  :
Nouvelles de l’université de Waterloo- 13 septembre 2016
https://uwaterloo.ca/science/news/putting-einsteins-theory-general-relativity-test

Rédacteur :
Sophie DECAMPS – Chargée de Mission pour la Science et la Technologie à Toronto – sophie.decamps[a]diplomatie.gouv.fr