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Mesurée directement pour la première fois en 1798 par le physicien britannique Henry Cavendish, la constante gravitationnelle, notée G, est une constante physique fondamentale apparaissant dans tous les cadres traitant de la gravité. Elle possède une place prépondérante dans la relativité générale d’Einstein où, selon le principe d’invariance des lois physiques, sa valeur doit rester la même au cours du temps et dans tous les référentiels. Pour s’assurer de cette constance, une équipe de cosmologistes a observé les variations de luminosité d’une étoile vieille de 11 milliards d’années.

Une des pierres angulaires de la relativité est que les lois physiques doivent rester les mêmes dans tous les référentiels. Cela signifie que si un observateur dans un référentiel particulier — par exemple une personne se tenant à la surface de la Terre ou flottant au milieu de l’espace — mesure une force de gravité particulière (la constante G), alors cette même valeur devrait s’appliquer en tout point de l’espace-temps, pour n’importe quel observateur.

D’autre part, nous savons que la relativité générale est une théorie incomplète de la gravité. Elle ne s’applique pas à l’échelle quantique, rendant ainsi nécessaire la recherche d’une théorie de la gravité quantique effective. L’un des candidats pour une telle théorie est la théorie des cordes.

Constante gravitationnelle : est-elle véritablement constante ?

En théorie des cordes, tous les paramètres décrivant l’Univers, y compris la constante gravitationnelle, émergent naturellement du cadre mathématique de la théorie. Si cela est vrai, alors la constante gravitationnelle de Newton n’est pas simplement un nombre aléatoire, mais plutôt un processus complexe opérant au niveau subatomique, qui n’a pas besoin d’être constant. Et ainsi dans la théorie des cordes (et dans d’autres théories de la gravité), à mesure que l’Univers grandit et change, les constantes fondamentales de la nature pourraient bien changer en même temps.

Au cours des dernières années, les physiciens ont mis au point des expériences mesurant la force de gravité sur la Terre et dans son voisinage immédiat. Ces expériences donnent certaines des contraintes les plus strictes sur les variations de G, mais seulement au cours des dernières années.

Il se pourrait que la constante de Newton varie incroyablement lentement, sur des échelles de temps bien plus longues. Pour palier cela, il est possible d’utiliser le fond cosmologique pour poser des contraintes plus anciennes, mais aussi bien moins précises.

Tester la constante gravitationnelle grâce à l’astérosismologie

Récemment, les cosmologistes ont mis au point une expérience, détaillée dans un article publié sur le serveur de pré-publication arXiv, visant à tester les variations potentielles de G qui constituent un bon compromis entre ces deux situations. C’est un test de précision relativement élevée, bien que pas aussi précis que ceux effectués sur Terre. Cependant, il reste bien meilleur que ceux concernant le fond cosmologique, possédant également l’avantage de s’étendre sur des milliards d’années.

infographie asterosismologie

L’astérosismologie est l’étude des vibrations stellaires afin d’en apprendre plus sur la structure interne des étoiles. Crédits : NASA

Le télescope spatial Kepler permet d’observer les étoiles pendant de longues périodes, à la recherche de la moindre variation. Et certaines de ces variations lumineuses proviennent d’ondes acoustiques agitant l’étoile, la faisant trembler comme dans le cas d’un séisme ; le domaine étudiant ces modes de vibration stellaire étant par ailleurs appelé l’astérosismologie. Ces tremblements et vibrations affectent la luminosité de l’étoile, révélant des détails sur sa structure. Cette dernière dépendant de l’âge et la masse de l’étoile.

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Variation potentielle de G et évolution lumineuse des étoiles

Ces tremblements à la surface de l’étoile affectent sa luminosité et renseignent sur sa structure intérieure. L’intérieur d’une étoile dépend de sa masse et de son âge. À mesure que les étoiles évoluent, la taille du noyau et la dynamique de toutes ses couches intérieures changent. Ces changements affectent ce qui se passe à la surface.

Si la constante gravitationnelle est véritablement constante, alors la luminosité et la température des étoiles devraient augmenter lentement avec le temps, car, lorsqu’elles brûlent de l’hydrogène dans leurs noyaux, elles laissent derrière elles une masse inerte d’hélium. Cet hélium entrave le processus de fusion, réduit son efficacité, et oblige les étoiles à brûler plus rapidement pour maintenir leur équilibre, devenant de plus en plus chaudes et lumineuses.

evolution etoile

Graphe montrant l’évolution d’une étoile de 0.75 masse solaire sur le diagramme de Hertzsprung–Russell pour différentes valeurs de G, depuis le début de la séquence principale (points noirs) jusqu’à un âge de 11 milliards d’années. Crédits : Earl Patrick Bellinger et al. 2019

Si la constante G diminue lentement avec le temps, ce processus stellaire devrait se dérouler plus rapidement. Mais si la constante de Newton se comporte de manière opposée et augmente progressivement avec le temps, les étoiles devraient augmenter en température pendant un moment, puis maintenir cette température tandis que leur luminosité devrait également augmenter à mesure qu’elles vieillissent.

Une constante gravitationnelle effectivement constante

Mais ces changements ne sont vraiment apparents que sur de très longues périodes. Le Soleil, qui n’a que 4.5 milliards d’années, n’était donc pas un bon candidat. Pas plus que les étoiles très massives dont la durée de vie est courte et la structure interne difficile à modéliser. Les cosmologistes se sont donc tournés vers l’étoile KIC 7970740, une étoile possédant les 3/4 de la masse du Soleil et existant depuis 11 milliards d’années.

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Histogramme montrant les probabilités de variations de G. En bleu, l’intervalle de crédibilité à 95%. Les valeurs proches de zéro sont en faveur de la relativité générale, et les valeurs éloignées de zéro en faveur des théories de la gravité modifiée. Crédits : Earl Patrick Bellinger et al. 2019

Les chercheurs ont recueilli les données de Kepler et les ont comparées avec différents modèles d’évolution de l’étoile, y compris ceux intégrant des variations de G. Ils ont ensuite lié ces modèles aux données astérosismologiques de l’étoile. Les résultats montrent une constante gravitationnelle effectivement constante, aucun changement détecté à un niveau de 2 parties par milliard de milliard au cours des 11 derniers milliards d’années.

Sources : arXiv

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