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La théorie de la relativité générale d’Einstein

La relativité générale est la compréhension du physicien Albert Einstein de la façon dont la gravité affecte le tissu de l’espace-temps.

La théorie, qu’Einstein a publiée en 1915, a élargi la théorie de la relativité restreinte qu’il avait publiée 10 ans plus tôt. La relativité restreinte a soutenu que l’espace et le temps sont inextricablement liés, mais cette théorie ne reconnaissait pas l’existence de la gravité.

Einstein a passé la décennie entre les deux publications à déterminer que des objets particulièrement massifs déforment le tissu de l’espace-temps, une distorsion qui se manifeste par la gravité, selon la NASA.

Comment fonctionne la relativité générale ?

Pour comprendre la relativité générale, commençons d’abord par la gravité, la force d’attraction que deux objets exercent l’un sur l’autre. Sir Isaac Newton a quantifié la gravité dans le même texte dans lequel il a formulé ses trois lois du mouvement, les « Principia ».

La force gravitationnelle qui tire entre deux corps dépend de la masse de chacun et de la distance qui les sépare. Alors même que le centre de la Terre vous tire vers elle (vous gardant fermement au sol), votre centre de masse recule vers la Terre. Mais le corps le plus massif ressent à peine la traction de vous, tandis qu’avec votre masse beaucoup plus petite, vous vous retrouvez fermement enraciné grâce à cette même force. Pourtant, les lois de Newton supposent que la gravité est une force innée d’un objet qui peut agir à distance.

Albert Einstein, dans sa théorie de la relativité restreinte, a déterminé que les lois de la physique sont les mêmes pour tous les observateurs non accélérateurs, et il a montré que la vitesse de la lumière dans le vide est la même quelle que soit la vitesse à laquelle un observateur se déplace, selon Wired.

En conséquence, il a découvert que l’espace et le temps étaient entrelacés en un seul continuum connu sous le nom d’espace-temps. Et des événements qui se produisent en même temps pour un observateur peuvent se produire à des moments différents pour un autre.

En élaborant les équations de sa théorie de la relativité générale, Einstein s’est rendu compte que les objets massifs provoquaient une distorsion dans l’espace-temps. Imaginez que vous placez un grand objet au centre d’un trampoline. L’objet s’enfoncerait dans le tissu, provoquant des fossettes. Si vous essayez ensuite de faire rouler une bille autour du bord du trampoline, la bille s’enroulerait en spirale vers l’intérieur vers le corps, tirée à peu près de la même manière que la gravité d’une planète tire sur les rochers dans l’espace.

Preuve expérimentale de la relativité générale

Au cours des décennies qui ont suivi la publication de ses théories par Einstein, les scientifiques ont observé d’innombrables phénomènes correspondant aux prédictions de la relativité.

Lentille gravitationnelle

La lumière se courbe autour d’un objet massif, tel qu’un trou noir, le faisant agir comme une lentille pour les choses qui se trouvent derrière lui. Les astronomes utilisent couramment cette méthode pour étudier les étoiles et les galaxies derrière des objets massifs.

La croix d’Einstein, un quasar de la constellation de Pégase, selon l’Agence spatiale européenne (ESA), est un excellent exemple de lentille gravitationnelle. Le quasar est vu tel qu’il était il y a environ 11 milliards d’années ; la galaxie derrière laquelle elle se trouve est environ 10 fois plus proche de la Terre. Parce que les deux objets s’alignent si précisément, quatre images du quasar apparaissent autour de la galaxie parce que la gravité intense de la galaxie courbe la lumière provenant du quasar.

La croix d’Einstein est un exemple de lentille gravitationnelle. (Crédit image : NASA et Agence spatiale européenne (ESA))

Dans des cas comme la croix d’Einstein, les différentes images de l’objet à lentille gravitationnelle apparaissent simultanément, mais ce n’est pas toujours le cas. Les scientifiques ont également réussi à observer des exemples de lentilles où, comme la lumière voyageant autour de la lentille emprunte des chemins différents de longueurs différentes, différentes images arrivent à des moments différents, comme dans le cas d’une supernova particulièrement intéressante.

Changements dans l’orbite de Mercure

L’orbite de Mercure se déplace très progressivement au fil du temps en raison de la courbure de l’espace-temps autour du soleil massif, selon la NASA. Dans quelques milliards d’années, cette oscillation pourrait même provoquer la collision de la planète la plus intérieure avec le soleil ou une planète.

Frame-glisser de l’espace-temps autour des corps en rotation

La rotation d’un objet lourd, comme la Terre, devrait tordre et déformer l’espace-temps qui l’entoure. En 2004, la NASA a lancé le Gravity Probe B (GP-B). Les axes des gyroscopes calibrés avec précision du satellite ont très légèrement dérivé au fil du temps, selon la NASA, un résultat qui correspond à la théorie d’Einstein.

« Imaginez la Terre comme si elle était immergée dans du miel », a déclaré Francis Everitt, chercheur principal de Gravity Probe-B, de l’Université de Stanford, dans un communiqué de la NASA sur la mission.

« Alors que la planète tourne, le miel autour d’elle tourbillonnerait, et c’est la même chose avec l’espace et le temps. GP-B a confirmé deux des prédictions les plus profondes de l’univers d’Einstein, ayant des implications de grande envergure dans la recherche en astrophysique. »

Décalage vers le rouge gravitationnel

Le rayonnement électromagnétique d’un objet est légèrement étiré à l’intérieur d’un champ gravitationnel. Pensez aux ondes sonores qui émanent d’une sirène sur un véhicule d’urgence ; lorsque le véhicule se déplace vers un observateur, les ondes sonores sont comprimées, mais lorsqu’il s’éloigne, elles sont étirées ou décalées vers le rouge. Connu sous le nom d’effet Doppler, le même phénomène se produit avec des ondes lumineuses à toutes les fréquences.

Dans les années 1960, selon l’American Physical Society, les physiciens Robert Pound et Glen Rebka ont d’abord projeté des rayons gamma vers le bas, puis sur le côté d’une tour de l’Université Harvard. Pound et Rebka ont découvert que les rayons gamma changeaient légèrement de fréquence en raison des distorsions causées par la gravité.

Ondes gravitationnelles

Einstein a prédit que des événements violents, tels que la collision de deux trous noirs, créent des ondulations dans l’espace-temps connues sous le nom d’ondes gravitationnelles. Et en 2016, le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) a annoncé avoir détecté un tel signal pour la première fois.

Cette détection a eu lieu le 14 septembre 2015. LIGO, composé d’installations jumelles en Louisiane et à Washington, avait récemment été mis à niveau et était en train d’être calibré avant d’être mis en ligne. La première détection était si importante que, selon la porte-parole de LIGO de l’époque, Gabriela Gonzalez, il a fallu plusieurs mois d’analyse à l’équipe pour se convaincre qu’il s’agissait d’un véritable signal et non d’un problème.

[See our full discovery story here and our complete coverage of the historic scientific discovery here]

« Nous avons eu beaucoup de chance lors de la première détection que c’était si évident », a-t-elle déclaré lors de la 228 réunion de l’American Astronomical Society en juin 2016.

Depuis lors, les scientifiques ont commencé à capter rapidement les ondes gravitationnelles. Au total, LIGO et son homologue européen Virgo ont détecté un total de 50 événements d’ondes gravitationnelles, selon les responsables du programme.

Ces collisions ont inclus des événements inhabituels comme une collision avec un objet que les scientifiques ne peuvent pas identifier définitivement comme un trou noir ou une étoile à neutrons, la fusion d’étoiles à neutrons accompagnées d’une explosion brillante, la collision de trous noirs dépareillés et plus encore.

Voici 12 choses à savoir sur la relativité.

Voici 12 choses à savoir sur la relativité. (Crédit image : Karl Tate/SPACE.COM)

Cet article a été mis à jour le 4 juin 2021 par la rédactrice principale de 45secondes.fr, Meghan Bartels.

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