Vitesse de la gravité
Mise en contexte
La relativité générale prédit que le rayonnement gravitationnel devrait exister et se propager comme une onde à la vitesse de la lumière : Un champ gravitationnel faible et évoluant lentement produira, selon la relativité générale, des effets comme ceux de la gravitation newtonienne (cela ne dépend pas de l’existence de gravitons, mentionnés ci-dessus, ou de toute autre particule similaire porteuse de force).
Déplacer brusquement l’une de deux particules en interaction gravitationnelle ferait, après un délai correspondant à la vitesse de la lumière, que l’autre ressentirait l’absence de la particule déplacée : les accélérations dues au changement de moment quadripolaire des systèmes stellaires, comme le binaire de Hulse-Taylor, ont retiré beaucoup d’énergie (près de 2 % de l’énergie de la production de notre propre Soleil) sous forme d’ondes gravitationnelles, qui voyageraient théoriquement à la vitesse de la lumière.
Deux ensembles de particules en interaction gravito-électrique, par ex, deux planètes ou deux étoiles se déplaçant à vitesse constante l’une par rapport à l’autre, ressentent chacune une force vers la position instantanée de l’autre corps sans délai de vitesse de la lumière car l’invariance de Lorentz exige que ce que voit un corps en mouvement dans un champ statique et ce que voit un corps en mouvement qui émet ce champ soient symétriques.
Le fait qu’un corps en mouvement ne voit aucune aberration dans un champ statique émanant d’un « corps immobile » fait donc que l’invariance de Lorentz exige que, dans le référentiel du corps précédemment en mouvement, les lignes de champ du corps émetteur (maintenant en mouvement) ne doivent pas, à distance, être retardées ou aberrées. Les corps chargés en mouvement (y compris les corps qui émettent des champs gravitationnels statiques) présentent des lignes de champ statiques qui ne se courbent pas avec la distance et ne montrent aucun effet de retard de la vitesse de la lumière, vu des corps qui se déplacent par rapport à eux.
En d’autres termes, puisque le champ gravito-électrique est, par définition, statique et continu, il ne se propage pas. Si une telle source de champ statique est accélérée (par exemple arrêtée) par rapport à son cadre de vitesse antérieurement constante, son champ distant continue à être mis à jour comme si le corps chargé continuait avec une vitesse constante. Cet effet fait en sorte que les champs distants de charges en mouvement non accéléré semblent être « mis à jour » instantanément pour leur mouvement à vitesse constante, tel que vu à partir de positions distantes, dans le cadre où l’objet-source se déplace à vitesse constante. Cependant, comme discuté, c’est un effet qui peut être supprimé à tout moment, en passant à un nouveau cadre de référence dans lequel le corps chargé distant est maintenant au repos.
La composante gravito-électrique statique et continue d’un champ gravitationnel n’est pas une composante gravitomagnétique (rayonnement gravitationnel) ; voir la classification de Petrov. Le champ gravito-électrique est un champ statique et ne peut donc pas transmettre de manière supraluminique des informations quantifiées (discrètes), c’est-à-dire qu’il ne pourrait pas constituer une série bien ordonnée d’impulsions portant un sens bien défini (il en est de même pour la gravité et l’électromagnétisme).
Aberration de la direction du champ en relativité générale, pour un observateur faiblement accéléréModification
La vitesse finie de l’interaction gravitationnelle en relativité générale ne conduit pas aux sortes de problèmes d’aberration de la gravité dont Newton s’inquiétait à l’origine, car il n’y a pas de telle aberration dans les effets de champ statique. Comme l’accélération de la Terre par rapport au Soleil est faible (ce qui signifie, en bonne approximation, que les deux corps peuvent être considérés comme se déplaçant en ligne droite l’un devant l’autre avec une vitesse immuable), les résultats orbitaux calculés par la relativité générale sont les mêmes que ceux de la gravité newtonienne avec une action instantanée à distance, car ils sont modélisés par le comportement d’un champ statique avec un mouvement relatif à vitesse constante, sans aberration pour les forces impliquées. Bien que les calculs soient considérablement plus compliqués, on peut montrer qu’un champ statique en relativité générale ne souffre pas de problèmes d’aberration tel que vu par un observateur non accéléré (ou un observateur faiblement accéléré, comme la Terre). De façon analogue, le « terme statique » dans la théorie du potentiel électromagnétique de Liénard-Wiechert des champs provenant d’une charge en mouvement ne souffre ni d’aberration ni de retard de position. Seul le terme correspondant à l’accélération et à l’émission électromagnétique dans le potentiel de Liénard-Wiechert présente une direction vers la position de l’émetteur retardée dans le temps.
Il n’est en fait pas très facile de construire une théorie de la gravité autoconsistante dans laquelle l’interaction gravitationnelle se propage à une vitesse autre que la vitesse de la lumière, ce qui complique la discussion de cette possibilité.
Conventions formellesModification
En relativité générale, le tenseur métrique symbolise le potentiel gravitationnel, et les symboles de Christoffel du collecteur spatio-temporel symbolisent le champ de force gravitationnel. Le champ gravitationnel de marée est associé à la courbure de l’espace-temps.
MesuresModifier
Pour le lecteur qui désire un contexte plus profond, une revue complète de la définition de la vitesse de la gravité et de sa mesure avec des techniques astrométriques de haute précision et d’autres techniques apparaît dans le manuel Mécanique céleste relativiste dans le système solaire.
La décroissance orbitale de PSR 1913+16
La vitesse de la gravité (plus correctement, la vitesse des ondes gravitationnelles) peut être calculée à partir des observations du taux de décroissance orbitale des pulsars binaires PSR 1913+16 (le système binaire de Hulse-Taylor mentionné ci-dessus) et PSR B1534+12. Les orbites de ces pulsars binaires se désintègrent en raison de la perte d’énergie sous forme de rayonnement gravitationnel. Le taux de cette perte d’énergie (« amortissement gravitationnel ») peut être mesuré, et comme il dépend de la vitesse de la gravité, la comparaison des valeurs mesurées à la théorie montre que la vitesse de la gravité est égale à la vitesse de la lumière à 1% près. Cependant, selon le réglage du formalisme PPN, la mesure de la vitesse de la gravité en comparant les résultats théoriques aux résultats expérimentaux dépendra de la théorie ; l’utilisation d’une théorie autre que celle de la relativité générale pourrait en principe montrer une vitesse différente, bien que l’existence de l’amortissement gravitationnel du tout implique que la vitesse ne peut pas être infinie.
Occultation jovienne de QSO J0842+1835 (contestée)
En septembre 2002, Sergei Kopeikin et Edward Fomalont ont annoncé qu’ils avaient mesuré la vitesse de la gravité de manière indirecte, en utilisant leurs données issues de la mesure par VLBI de la position retardée de Jupiter sur son orbite pendant le transit de Jupiter à travers la ligne de visée du quasar QSO J0842+1835, source radio lumineuse. Kopeikin et Fomalont ont conclu que la vitesse de la gravité se situe entre 0,8 et 1,2 fois la vitesse de la lumière, ce qui serait tout à fait conforme à la prédiction théorique de la relativité générale selon laquelle la vitesse de la gravité est exactement la même que la vitesse de la lumière.
Plusieurs physiciens, dont Clifford M. Will et Steve Carlip, ont critiqué ces affirmations au motif qu’ils auraient mal interprété les résultats de leurs mesures. Notamment, avant le transit réel, Hideki Asada, dans un article aux Astrophysical Journal Letters, a théorisé que l’expérience proposée était essentiellement une confirmation détournée de la vitesse de la lumière au lieu de la vitesse de la gravité.
Il est important de garder à l’esprit qu’aucun des débatteurs dans cette controverse ne prétend que la relativité générale est « fausse ». La question débattue est plutôt de savoir si oui ou non Kopeikin et Fomalont ont réellement fourni une autre vérification de l’une de ses prédictions fondamentales.
Kopeikin et Fomalont, cependant, continuent de plaider vigoureusement leur cause et les moyens de présenter leur résultat lors de la conférence de presse de l’American Astronomical Society (AAS) qui a été proposée après que les résultats de l’expérience jovienne aient été examinés par les experts du comité d’organisation scientifique de l’AAS. Dans une publication ultérieure de Kopeikin et Fomalont, qui utilise un formalisme bimétrique divisant le cône nul spatio-temporel en deux – un pour la gravité et un autre pour la lumière – les auteurs ont affirmé que l’affirmation d’Asada n’était pas fondée sur le plan théorique. Les deux cônes nuls se chevauchent dans la relativité générale, ce qui rend difficile le suivi des effets de la vitesse de la gravité et nécessite une technique mathématique spéciale des potentiels retardés gravitationnels, qui a été élaborée par Kopeikin et ses coauteurs mais n’a jamais été correctement employée par Asada et/ou les autres critiques.
Stuart Samuel a également montré que l’expérience n’a pas réellement mesuré la vitesse de la gravité car les effets étaient trop faibles pour avoir été mesurés. Une réponse de Kopeikin et Fomalont remet en cause cette opinion.
GW170817 et la fin de deux étoiles à neutrons
La détection de GW170817 en 2017, le finalé d’une inspiration d’étoile à neutrons observé à la fois par les ondes gravitationnelles et les rayons gamma, fournit actuellement de loin la meilleure limite sur la différence entre la vitesse de la lumière et celle de la gravité. Des photons ont été détectés 1,7 seconde après le pic d’émission des ondes gravitationnelles ; en supposant un délai de zéro à 10 secondes, la différence entre les vitesses des ondes gravitationnelles et électromagnétiques, vGW – vEM, est contrainte entre -3×10-15 et +7×10-16 fois la vitesse de la lumière.
Ceci a également exclu certaines alternatives à la relativité générale, notamment les variantes de la théorie scalaire-tensorielle, les instances de la théorie de Horndeski et la gravité de Hořava-Lifshitz.