Une étude, dont les résultats intitulés «Universality of free fall from the orbital motion of a pulsar in a stellar triple system» sont publiés dans la revue Nature, a permis de tester le principe d'équivalence fort (*) grâce à des données portant sur un système triple d'étoiles, situé dans la Voie lactée à environ 4.200 années-lumière du Soleil et contenant deux naines blanches et un pulsar du nom de PSR J0337+1715.

Rappelons tout d'abord que le principe d'équivalence faible remonte à Galilée et Newton: il dit «en gros, que localement, les mouvements de corps assimilables à des particules dans un champ de gravitation sont indépendants de leur structure et de leur masse et donc, en particulier, qu'ils chutent de la même façon, à la même vitesse». On résume souvent ce principe en disant «qu'il y a égalité entre la masse pesante et la masse inerte».

De son côté, Einstein a intégré ce principe à ses travaux sur la relativité restreinte, en avançant l'idée que, localement, l'effet de la gravitation sur les mouvements des corps était indiscernable de celui qu'aurait un référentiel accéléré, sans gravitation, sur ces mouvements rapportés à ce référentiel.

Comme «en raison de l'existence de l'espace-temps, cela impliquait que la gravitation devait être une manifestation de la courbure de celui-ci», en fin de compte, Einstein a été «conduit à une théorie de la gravitation permettant de généraliser sa théorie de la relativité restreinte et impliquant que pour toute expérience de physique avec des phénomènes non gravitationnels, il n'était pas possible de dire localement si l'on était dans un référentiel en chute libre ou immobile mais avec un champ de gravitation». Cette théorie «permettait de formuler les lois de la physique sous une forme mathématiquement invariante que l'on soit ou non dans un référentiel accéléré arbitrairement ou considéré comme au repos».

Au cours des années 1950 et au début des années 1960, le physicien Robert Dicke (**) «a entrepris de développer de nouveaux tests de la relativité générale pour la départager d'alternatives alors proposées» («Toutes ces idées de théories alternatives de la gravité vont d'ailleurs conduire à une classe de nouvelle théorie de la gravitation, dite théorie tenseur-scalaire dans le langage moderne»). Ce sont les réflexions de Dicke qui l'ont amené «à distinguer entre un principe d'équivalence faible et un principe d'équivalence dit fort qui serait violé par des théories alternatives à la théorie d'Einstein de la gravitation».

Alors que dans beaucoup de théories alternatives l'intensité du champ de gravitation, qui varie localement», fait varier la constante de la gravitation ou la valeur des masses des particules, de sorte que «des corps ne tomberaient pas à la même vitesse dans le champ de gravitation d'un autre corps», «le principe d'équivalence fort, qui contient le faible, dit, «que le mouvement de chute ne devrait pas dépendre de l'énergie gravitationnelle propre des corps considérés».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée a cherché à tester le principe d'équivalence fort au moyen de données fournies par plusieurs radiotélescopes au cours des dernières années concernant le système triple contenant PSR J0337+1715 (***), qui est «un pulsar, donc une étoile à neutrons avec un fort champ de gravitation».

En conséquence, PSR J0337+1715 possède «une énergie gravitationnelle propre élevée, bien plus élevée que celle de la naine blanche la plus proche» auquel il est lié gravitationnellement «en formant déjà un système double» qui est lui-même «lié à une autre naine blanche, plus vieille et plus lointaine, de sorte que l'on peut considérer que l'on est dans un laboratoire naturel avec deux objets de nature différente en chute libre dans le champ de gravitation d'un troisième objet».

Ce dispositif naturel permet ainsi de faire «la fameuse expérience de la comparaison de la chute d'une plume et d'un marteau sur la Lune faite par l'astronaute David Scott lors de la mission Apollo 15». En effet, comme PSR J0337+1715 est un pulsar, «il se comporte comme une balise radio précise dont l'émission va être affectée par ses mouvements». Il peut donc servir, en mesurant finement sa trajectoire dans le système triple, à vérifier «si le principe d'équivalence forte est valable à un certain degré de précision». Au bout du compte, il apparaît que «c'est bien le cas», c'est à dire que la théorie d'Einstein triomphe face aux théories alternatives testées.

Liens externes complémentaires (source Wikipedia)

(*) Principe d'équivalence

(**) Robert Dicke

Lien externe complémentaire (source Simbad)

(***) PSR J0337+1715