Ce texte est une version française simplifiée
d'un extrait d'un article publié par K. Hagiwara et al.,
Physical Review D66, en juin 2002. L'extrait à été
revu par T. Damour (IHES) en octobre 2001.
Nous ne nous intéresserons ici qu'au cas
" classique " c'est-à-dire non relativiste. Une
approche relativiste apporte des résultat intéressant
et notamment la possibilité d'une énergie du vide,
[1] qui viendrait faire écho à la fameuse "
constante cosmologique " introduite puis rejetée par
Einstein. Cependant, de récentes découvertes cosmologiques
semblent donner une valeur positive et relativement petite à
cette énergie. Une telle valeur a des effets négligeables
sur les tests qui suivent.
Test
expérimentaux du couplage entre la matière et la
gravité
Tests de la dynamique
du champ gravitationnel en régime faible
Tests de
la dynamique du champ gravitationnel en régime rayonnant
et/ou fort
Conclusion
Références
Tests
expérimentaux du couplage entre la matière et la
gravité.
Test sur la constance
des constantes
L'universalité du couplage entre la gravité et la
matière, appelé principe d'équivalence, a
beaucoup de conséquences observables.
Premièrement, le principe prédit que les résultats
d'une expérience non gravitationnelle locale, dans le référentiel
local standard, ne dépend pas d'où, ni de quand,
l'expérience est réalisée. Cela signifie,
par exemple, que des expériences locales ne devraient pas
sentir l'évolution cosmique de l'univers ( la constance
des constantes) ni montrer des directions privilégiées
dans l'espace temps ( isotropie de l'espace, invariance par transformation
de Lorentz). Ces prédictions sont cohérentes avec
beaucoup d'expériences et d'observations. La meilleure
limite d'une variation dans le temps possible d'une des constantes
fondamentales du couplage concerne la constante de la structure
fine.
Test sur l'isotropie
de l'espace
Les tests les plus précis sur l'isotropie de l'espace ont
été effectués en étudiant les possibles
changements quadripolaires des niveaux d'énergies nucléaires
[2]. Le résultat (nul) peut être interprété
comme si on testait le fait que la matière est couplée
à un seul champ de gravitation externe avec une précision
de 10 ^ -27.
Test sur l'accélération
en chute libre
Deuxièmement, le couplage universel de la gravité
implique que deux corps tests électriquement neutres, lancés
depuis la même position et avec la même vitesse dans
un champ de gravitation externe tombent de la même façon,
indépendamment de leur masse et de leur composition. L'universalité
de l'accélération en chute libre a été
vérifiée avec une précision de 10 ^-12 à
la fois pour des corps en laboratoires [3] et pour les accélérations
gravitationnelles de la Lune et de La Terre vers le Soleil [4].
Test sur la dilatation
des temps
Finalement, le principe d'équivalence implique aussi que
deux horloge identiquement construites situées à
deux positions différentes dans un potentiel newtonien
classique U(x) = G m/r, montrent quand on les compare à
l'aide de signaux électromagnétiques une différence
apparente entre les périodes des horloges, indépendamment
de leur nature et de leur constitution. Ce décalage universel
des périodes des horloges a été vérifié
avec une précision de 10 ^ -4 (0.00001) en comparant une
horloge à maser d'hydrogène volant dans une fusée
à une altitude d'environ 10 000 km, à une horloge
similaire au sol [5].
Tests
de la dynamique du champ gravitationnel en régime faible
Toutes les expériences gravitationnelles
actuellement conduites dans le système solaire, y compris
les avances du périhélie des orbites des planètes,
la courbure et le retard des signaux électromagnétiques
qui passent près du Soleil et les données très
précises de la distance à la Lune obtenues par échos
laser, sont compatibles avec les résultats de la relativité
générale.
De la même façon que ce qui est fait
dans les discussions sur la précision des expériences
sur la force éléctrofaible, il est utile de quantifier
la signification de la précision des expériences
gravitationnelles en paramétrant les écarts plausibles
à la relativité générale. La possibilité
de l'existence de nouveaux couplages des forces gravitationnelles
qui mènent (sur de petites, et peut-être grandes
échelles) à un écart
par rapport aux théories de la gravité d'Einstein
et de Newton est suggérée par la théorie
des cordes [6], et par les idées de Brane World [7]. Des
expériences récentes ont établi une limite
sur les petites distances d' interactions qui est de l'ordre de
0,2 mm. Si on focalise sur les interactions de grande portée,
il faut s'intéresser aux paramètres Gamma et Beta.
Ces paramètres surviennent naturellement dans les discussions
phénoménologiques sur les écarts possibles
à la relativité générale. Les meilleurs
limites actuelles sur les paramètres Gamma et Beta sont
, avec un degré de confiance de 68% : -3,8 * 10^-4 <
Gamma<2,6 * 10^-4 déduites des mesures du VLBI (Very
Long Baseline Interferometry) sur les "déflections"
des ondes radio par le Soleil [8] et 4 * Beta - Gamma = - 0.0007±0.0010
[9] à partir des mesures laser sur une inclinaison possible
de la Lune vers le Soleil.
Tests de la dynamique
du champ gravitationnel en régime rayonnant et/ou fort.
Principe
La découverte de pulsars (c'est-à-dire d'étoiles
à neutrons en rotation émettant des bruits radio)
dont les orbites sont reliées par la gravitation [10,11]
a ouvert un terrain entièrement nouveau pour tester la
gravitation relativiste, procurant aux scientifiques une approche
expérimentale du régime rayonnant et/ou fort du
champ de gravitation. Dans ces systèmes, la vitesse finie
de propagation des interactions gravitationnelles entre le pulsar
et son compagnon génèrent des effets de "marée"
dans les équations du mouvement [12]. Ces forces de marée
sont la manifestation locale du rayonnement gravitationnel émis
à l'infini par le système. Elles ont pour effet
de rétrécir l'orbite binaire et de diminuer la période
de rotation.
Tests sur la période
d'un pulsar
La stabilité remarquable de l'horloge du pulsar a permis
à Taylor et à ses collaborateurs de mesurer le très
léger décalage de la période dont la valeur
a été établie a 10^-12 [11,13], ainsi ils
ont eu une confirmation expérimentale directe des propriétés
de propagation du champ gravitationnel.
De plus, le potentiel gravitationnel de surface d'une étoile
à neutrons étant d'un facteur 10^8 plus grand que
celui de la Terre, et d'un facteur d'environ 2,5 sous la limite
du trou noir, les données des pulsars sont des sondes sensibles
du régime de fort champ gravitationnel.
Tests impliquant simultanément
des régimes rayonnants et forts
Il a été possible de mesurer trois paramètres
du premier pulsar découvert. Ces trois paramètres
déterminent des équations qui définissent,
pour chaque théorie, trois courbes dans le plan des masses
(deux masses, deux dimensions). Cela fournit une vérification
(combinée champ rayonnant /fort) d'une théorie particulière,
selon que les courbes se coupent en un point, comme elles le devraient.
Après avoir retranché un faible mais non négligeable
effet newtonien perturbateur du à la Galaxie, on trouve
que la relativité générale passe le test
avec succès à une précision de 10 ^-3 [11,13].
Tests impliquant seulement
le champ fort
La découverte d'un autre pulsar binaire[14] a permis de
mesurer quatre paramètres et d'obtenir ainsi deux ( quatre
observations moins deux masses (inconnue)) tests du champ gravitationnel
fort, sans le mélanger avec les effets rayonnants [15].
La relativité générale supporte le test dans
la précision des mesures [15,11]. En utilisant les données
les plus précises et les plus récentes [16] on trouve
un résultat en accord avec la théorie avec une erreur
de 1%.
Tests sur des pulsar
non symétriques
Plusieurs autres systèmes de pulsar binaires, de type non
symétrique (des systèmes quasiment circulaire composé
d'une étoile à neutron et d'une naine blanche) peuvent
aussi être utilisés pour tester la gravité
relativiste [17,18] Des mesures de la forme des pulsations d'un
de ces pulsars ont permis de détecter une variation dans
le temps de la forme de ces pulsations compatible avec la prédiction[19]
que le couplage général relativiste des orbites
devrait causer un changement dans l'orientation du faisceau du
pulsar en fonction de la ligne de vue.
Ordre de grandeurs
Les tests considérés ci-dessus ont examiné
des interactions gravitationnelles à des échelles
comprises entre la fraction de millimètre et quelques unités
astronomiques ( soit 150 000 000 km). D'un autre côté,
les actions de relativité générale sur la
lumière et la matière d'un champ de gravitation
externe sur une échelle d'une longueur d'environ 100 kpc
ont été vérifiées à environ
30% dans certains systèmes de lentille gravitationnelle
[20].
Certain tests à l'échelle cosmologique sont aussi
valables. En particulier, la nucléosynthèse du Big
Bang a été utilisé pour établir des
contraintes non négligeables sur la variabilité
de certaines "constantes" [21]
Conclusion
Tous les tests expérimentaux à
ce jour sont compatibles avec les prédictions de l'actuel
modèle "standard" de gravitation : la relativité
générale d'Einstein. L'universalité du couplage
entre la matière et la gravité ( le principe d'équivalence)
a été vérifié jusqu'à une précision
de 10^-12. Les expériences du système solaires ont
permis de tester les prédictions du champ faible de la
théorie d'Einstein avec une précision de 10^-3.
Les propriétés de propagation de la gravitation
relativiste, ainsi que plusieurs aspects de son champ fort, ont
été vérifiés à un niveau de
10^-3 dans des expériences impliquant des pulsars binaires.
Plusieurs nouveaux développements dans les expériences
de gravitation sont attendus dans un futur proche.
Références
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5. R. F. C. Vessot et M. W. Levine, Gen. Rel. Grav. 10, 181 (1979)
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6. T.R. Taylor et G. Veneziano, Phys. Lett. B213, 450 (1988) ;
S. Dimopoulos et G. Guidice, Phys. Lett. B379, 105 (1996) ;
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8. T.M. Eubanks et al., Bull. Am. Phys. Soc., Abctract # K 11.05
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9. J.O. Dickey et al., Science 265, 482 (1994) ;
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