Le 6 novembre 1919, à Londres, des astronomes présentent les résultats d’une expérience menée cinq mois plus tôt, pendant une éclipse totale du Soleil. Du Brésil à l’île de Príncipe, ils ont photographié des étoiles dont la lumière passait tout près du Soleil. Leurs mesures apportent un premier soutien à une prédiction de la relativité générale d’Albert Einstein et font entrer le physicien dans les journaux du monde entier.
6 novembre 1919, l’annonce qui fait connaître Einstein
Ce jeudi de
novembre, la Royal Society et la Royal Astronomical Society tiennent une séance commune à
Londres. Frank Watson Dyson, astronome royal, Arthur Eddington et Andrew Crommelin y présentent les résultats des expéditions envoyées observer l’éclipse totale du 29 mai 1919. Leurs collègues découvrent qu’un déplacement minuscule, mesuré sur des plaques photographiques, correspond à l’effet attendu si le Soleil dévie la
lumière comme le prévoit la relativité générale. Dans les jours qui suivent, la
presse britannique s’empare de la nouvelle. La question qui passionnait les physiciens depuis plusieurs années atteint soudain le grand public.
La distinction entre les deux dates raconte déjà une partie de l’histoire. Le 29 mai, les astronomes disposent de quelques minutes d’obscurité pour enregistrer des images. Le 6 novembre, ils ont eu le temps de développer les plaques, de les comparer à des clichés de référence et d’examiner les écarts entre leurs instruments. Entre l’observation et l’annonce, l’expérience se joue autant dans le travail de mesure que sous le ciel de l’éclipse.
Comment une éclipse permet de mesurer la gravité du Soleil
Des étoiles visibles à quelques degrés du Soleil
En 1915, Einstein formule une théorie dans laquelle la matière et l’énergie modifient la géométrie de
l’espace-temps. La lumière suit les trajectoires que lui impose cette géométrie. Lorsqu’un rayon venu d’une étoile lointaine passe près du Soleil, sa trajectoire est déviée. Depuis la
Terre, l’étoile semble alors légèrement décalée vers l’extérieur par rapport au disque solaire. L’effet est d’autant plus marqué que le rayon passe près du Soleil.
En plein jour, l’éclat du ciel empêche de photographier facilement les
étoiles qui paraissent voisines du Soleil. Lors d’une éclipse totale, la
Lune masque le disque solaire et le ciel s’assombrit. Les astronomes peuvent alors photographier le champ d’étoiles autour de la couronne. En comparant ces images avec des clichés du même champ pris lorsque le Soleil se trouve ailleurs dans le ciel, ils peuvent mesurer le déplacement apparent. En 1919, la présence d’étoiles de l’amas des Hyades dans cette région du ciel rend l’occasion particulièrement favorable.
Source :
Plaque de l’éclipse de Sobral reproduite dans le rapport de 1920 — expédition de Sobral, rapport de Frank W. Dyson, Arthur S. Eddington et Charles Davidson, domaine public aux
États-Unis selon la fiche.
Une différence inférieure à une seconde d’arc
Pour un rayon qui frôle le bord du Soleil, la relativité générale prévoit une déviation d’environ 1,75 seconde d’arc. Un calcul classique, qui traite la lumière comme un flux de particules soumis à la gravitation newtonienne, donne environ 0,87 seconde d’arc. La seconde d’arc vaut un trois-mille-six-centième de degré. Pour départager ces valeurs, il faut mesurer des décalages infimes et repérer ce qui pourrait les imiter. Une variation de la mise au point ou de l’échelle de l’image suffit à compliquer la comparaison entre deux plaques.
Príncipe et Sobral, deux expéditions aux prises avec la météo
À Príncipe, dans le golfe de Guinée, Arthur Eddington travaille avec Edwin Cottingham. Des nuages gênent l’observation et seules deux plaques fournissent des images d’étoiles exploitables. Au Brésil, Andrew Crommelin et Charles Davidson observent depuis Sobral, où le ciel se dégage pendant la totalité. L’équipe dispose de deux instruments, dont une lunette de quatre pouces d’ouverture. La répartition des observateurs sur deux sites réduit le risque de perdre toute l’expérience à cause de la météo locale.
Source :
Photographie des instruments de l’expédition de Sobral — Charles Davidson, reproduite dans Space, Time and Gravitation en 1920, domaine public aux États-Unis selon la fiche.
Pourquoi les trois séries ne donnent pas le même résultat
Les plaques de Príncipe donnent une déviation ramenée au bord du Soleil d’environ 1,61 seconde d’arc. À Sobral, celles de la lunette de quatre pouces donnent 1,98 seconde d’arc. Ces deux estimations encadrent la valeur d’Einstein. La troisième série, réalisée avec l’astrographe de Sobral, pose problème. Les images stellaires sont moins nettes et le résultat dépend davantage de la manière dont les astronomes corrigent l’échelle des clichés. Une méthode donne environ 0,93 seconde d’arc, une valeur proche du calcul classique. Les auteurs jugent cette série moins fiable et s’appuient principalement sur les deux autres pour interpréter l’expérience.
Ce choix a suscité des débats. En 1979, une nouvelle mesure des plaques de Sobral donne pour l’astrographe une valeur d’environ 1,55 seconde d’arc, avec une incertitude importante. Cette réanalyse rapproche la série litigieuse de la prédiction relativiste. Elle montre aussi à quel point le résultat de 1919 dépendait de la qualité des images et des méthodes alors disponibles. L’annonce londonienne a constitué un premier test marquant d’une prédiction précise, que des observations ultérieures ont pu vérifier avec une bien meilleure précision.
Source :
Portrait d’Albert Einstein publié dans The Scientific Monthly — Underwood & Underwood, 1921, domaine public aux États-Unis selon la fiche.
Des plaques de verre aux galaxies et aux horloges du GPS
Aujourd’hui, les astronomes utilisent la déviation de la lumière comme un instrument d’observation. Une galaxie massive ou un amas situé devant une source lointaine peut en déformer l’image, produire plusieurs images de la même source ou en amplifier la luminosité. Ce phénomène, appelé lentille gravitationnelle, permet de sonder la répartition de la masse, y compris celle de la matière noire. En 1919, les astronomes cherchaient à mesurer la déviation à partir d’une masse connue, celle du Soleil. Dans de nombreuses observations actuelles, ils suivent le chemin inverse en utilisant les déformations visibles pour estimer la masse qui les provoque.
Le GPS exploite une autre conséquence de la relativité, qui concerne cette fois le rythme des horloges. En orbite, la gravitation terrestre est plus faible et les horloges des satellites avanceraient d’environ 45 microsecondes par jour par rapport à celles au sol sous le seul effet
de la relativité générale. La vitesse des satellites les ralentirait d’environ 7 microsecondes par jour selon la relativité restreinte. Le bilan est donc une avance d’environ 38 microsecondes par jour avant correction. Comme un récepteur GPS déduit sa position du temps mis par les signaux pour lui parvenir, la précision des horloges se traduit directement en précision de localisation.
Sources et références
