Astronomie

La théorie de la relativité générale fait diverses prédictions sur le comportement de l’espace et du temps. L’une de ces prédictions, mise en termes quotidiens, est que plus la gravité est forte, plus le rythme du temps est lent. Une telle déclaration va très à l’encontre de notre sens intuitif du temps en tant que flux que nous partageons tous. Le temps a toujours semblé le plus démocratique des concepts: nous tous, indépendamment de la richesse ou du statut, semblons nous déplacer ensemble du berceau à la tombe dans le grand courant du temps.

Mais Einstein a soutenu que cela ne nous semble que de cette façon parce que tous les humains jusqu’à présent ont vécu et sont morts dans l’environnement gravitationnel de la Terre. Nous n’avons eu aucune chance de tester l’idée que le rythme du temps pourrait dépendre de la force de la gravité, car nous n’avons pas connu de gravités radicalement différentes. De plus, les différences dans l’écoulement du temps sont extrêmement faibles jusqu’à ce que des masses vraiment importantes soient impliquées. Néanmoins, la prédiction d’Einstein a maintenant été testée, à la fois sur Terre et dans l’espace.

Les Tests du temps

Une expérience ingénieuse en 1959 a utilisé l’horloge atomique la plus précise connue pour comparer les mesures du temps au rez-de-chaussée et au dernier étage du bâtiment de physique de l’Université Harvard. Pour une horloge, les expérimentateurs ont utilisé la fréquence (le nombre de cycles par seconde) des rayons gamma émis par le cobalt radioactif. La théorie d’Einstein prédit qu’une telle horloge au cobalt au rez-de-chaussée, étant un peu plus proche du centre de gravité de la Terre, devrait fonctionner très légèrement plus lentement que la même horloge au dernier étage. C’est précisément ce que les expériences ont observé. Plus tard, les horloges atomiques ont été reprises dans des avions de haut vol et même sur l’un des vols spatiaux Gemini. Dans chaque cas, les horloges plus éloignées de la Terre ont couru un peu plus vite. Alors qu’en 1959, peu importait que l’horloge au sommet du bâtiment tourne plus vite que l’horloge au sous-sol, cet effet est aujourd’hui très pertinent. Chaque smartphone ou appareil qui se synchronise avec un GPS doit corriger cela (comme nous le verrons dans la section suivante) car les horloges des satellites fonctionneront plus vite que les horloges sur Terre.

L’effet est plus prononcé si la gravité impliquée est celle du Soleil et non de la Terre. Si une gravité plus forte ralentit le rythme du temps, il faudra plus de temps pour qu’une lumière ou une onde radio qui passe très près du bord du Soleil atteigne la Terre que ce à quoi nous nous attendions sur la base de la loi de la gravité de Newton. (Cela prend plus de temps car l’espace-temps est incurvé à proximité du Soleil.) Plus la distance entre le rayon de lumière et le bord du Soleil à l’approche la plus proche est petite, plus le retard dans l’heure d’arrivée sera long.

En novembre 1976, lorsque les deux engins spatiaux Viking opéraient à la surface de Mars, la planète est passée derrière le Soleil vu de la Terre (Figure 1). Les scientifiques avaient préprogrammé Viking pour envoyer une onde radio vers la Terre qui irait extrêmement près des régions extérieures du Soleil. Selon la relativité générale, il y aurait un retard parce que l’onde radio traverserait une région où le temps s’écoulerait plus lentement. L’expérience a pu confirmer la théorie d’Einstein à 0,1% près.

. Délais pour les ondes radio près du Soleil: Les signaux radio de l’atterrisseur Viking sur Mars ont été retardés lorsqu’ils sont passés près du Soleil, où l’espace-temps est incurvé relativement fortement. Dans cette image, l’espace-temps est représenté sous la forme d’une feuille de caoutchouc bidimensionnelle.

Décalage vers le rouge gravitationnel

Que signifie dire que le temps s’écoule plus lentement? Lorsque la lumière émerge d’une région de forte gravité où le temps ralentit, la lumière subit un changement de fréquence et de longueur d’onde. Pour comprendre ce qui se passe, rappelons qu’une onde de lumière est un phénomène répétitif — la crête suit la crête avec une grande régularité. En ce sens, chaque onde lumineuse est une petite horloge, gardant le temps avec son cycle d’onde. Si une gravité plus forte ralentit le rythme du temps (par rapport à un observateur extérieur), la vitesse à laquelle la crête suit la crête doit être en conséquence plus lente — c’est-à-dire que les vagues deviennent moins fréquentes.

Pour maintenir une vitesse lumineuse constante (le postulat clé des théories de la relativité générale et spéciale d’Einstein), la fréquence inférieure doit être compensée par une longueur d’onde plus longue. Ce type d’augmentation de la longueur d’onde (lorsqu’elle est causée par le mouvement de la source) est ce que nous avons appelé un décalage vers le rouge du rayonnement et des spectres. Ici, parce que c’est la gravité et non le mouvement qui produit les longueurs d’onde les plus longues, nous appelons l’effet un décalage vers le rouge gravitationnel.

L’avènement de la technologie de l’ère spatiale a permis de mesurer le décalage vers le rouge gravitationnel avec une très grande précision. Au milieu des années 1970, un maser à hydrogène, un appareil semblable à un laser qui produit un signal radio à micro-ondes à une longueur d’onde particulière, a été transporté par une fusée à une altitude de 10 000 kilomètres. Des instruments au sol ont été utilisés pour comparer la fréquence du signal émis par le maser à fusée avec celle d’un maser similaire sur Terre. L’expérience a montré que le champ gravitationnel plus fort à la surface de la Terre ralentissait vraiment l’écoulement du temps par rapport à celui mesuré par le maser de la fusée. L’effet observé correspondait aux prédictions de la relativité générale à quelques parties sur 100 000.

Ce ne sont que quelques exemples de tests qui ont confirmé les prédictions de la relativité générale. Aujourd’hui, la relativité générale est acceptée comme notre meilleure description de la gravité et est utilisée par les astronomes et les physiciens pour comprendre le comportement des centres des galaxies, le début de l’univers et le sujet avec lequel nous avons commencé ce chapitre — la mort d’étoiles vraiment massives.

La Relativité: Une application pratique

Maintenant, vous demandez peut-être: pourquoi devrais-je être dérangé par la relativité? Ne puis-je pas vivre parfaitement ma vie sans elle? La réponse est que vous ne pouvez pas. Chaque fois qu’un pilote atterrit dans un avion ou que vous utilisez un GPS pour déterminer où vous vous trouvez en voiture ou en randonnée dans l’arrière-pays, vous (ou du moins votre appareil compatible GPS) devez prendre en compte les effets de la relativité générale et spéciale.

Le GPS repose sur un réseau de 24 satellites en orbite autour de la Terre, et au moins 4 d’entre eux sont visibles de n’importe quel endroit de la Terre. Chaque satellite porte une horloge atomique précise. Votre récepteur GPS détecte les signaux des satellites qui sont au-dessus de la tête et calcule votre position en fonction du temps qu’il a fallu à ces signaux pour vous atteindre. Supposons que vous vouliez savoir où vous vous trouvez à moins de 50 pieds (les appareils GPS peuvent en fait faire beaucoup mieux que cela). Comme il ne faut que 50 milliardièmes de seconde pour que la lumière parcourt 50 pieds, les horloges des satellites doivent être synchronisées avec au moins cette précision — et les effets relativistes doivent donc être pris en compte.

Les horloges des satellites tournent autour de la Terre à une vitesse de 14 000 kilomètres par heure et se déplacent beaucoup plus vite que les horloges à la surface de la Terre. Selon la théorie de la relativité d’Einstein, les horloges des satellites tournent plus lentement que les horloges terrestres d’environ 7 millionièmes de seconde par jour. (Nous n’avons pas discuté de la théorie spéciale de la relativité, qui traite des changements lorsque les objets se déplacent très vite, vous devrez donc nous croire sur parole pour cette partie.)

Les orbites des satellites sont à 20 000 kilomètres au-dessus de la Terre, où la gravité est environ quatre fois plus faible qu’à la surface de la Terre. La relativité générale dit que les horloges en orbite devraient tiquer environ 45 millionièmes de seconde plus vite qu’elles ne le feraient sur Terre. L’effet net est que le temps sur une horloge satellite avance d’environ 38 microsecondes par jour. Si ces effets relativistes n’étaient pas pris en compte, les erreurs de navigation commenceraient à s’additionner et les positions seraient décalées d’environ 7 milles en une seule journée.

Glossaire

décalage vers le rouge gravitationnel:

augmentation de la longueur d’onde d’une onde électromagnétique (lumière) lors de la propagation à partir ou à proximité d’un objet massif