Des chercheurs remesurent la constante gravitationnelle

La constante gravitationnelle G détermine la force de gravité, la force qui fait tomber les pommes au sol ou entraîne la Terre dans son orbite autour du soleil. Cela fait partie de la loi de la gravitation universelle d’Isaac Newton, qu’il a formulée pour la première fois il y a plus de 300 ans. La constante ne peut pas être dérivée mathématiquement; doit être déterminé par l’expérience.

Au fil des siècles, les scientifiques ont réalisé de nombreuses expériences pour déterminer la valeur de G, mais la communauté scientifique n’est pas satisfaite du chiffre actuel. Elle est tout de même moins précise que les valeurs de toutes les autres constantes naturelles fondamentales, par exemple la vitesse de la lumière dans le vide.

L’une des raisons pour lesquelles la gravité est extrêmement difficile à quantifier est qu’il s’agit d’une force très faible et que vous ne pouvez pas l’isoler : lorsque vous mesurez la gravité entre deux corps, vous mesurez également l’effet de tous les autres corps dans le monde.

“La seule option pour résoudre cette situation est de mesurer la constante gravitationnelle avec autant de méthodes différentes que possible”, explique Jürg Dual, professeur au Département de génie mécanique et des procédés de l’ETH Zurich. Lui et ses collègues ont réalisé une nouvelle expérience pour déterminer la constante gravitationnelle et ont maintenant présenté leurs travaux dans la revue scientifique physique de la nature.

Une expérience inédite dans une ancienne forteresse

Pour éliminer autant que possible les sources d’interférences, l’équipe Dual a installé son équipement de mesure dans ce qui était autrefois la forteresse de Furggels, située près de Pfäfers au-dessus de Bad Ragaz, en Suisse. Le dispositif expérimental est constitué de deux faisceaux suspendus dans des chambres à vide. Après que les chercheurs aient fait vibrer un couplage gravitationnel, le deuxième faisceau a également montré un mouvement minimal (dans la gamme du picomètre, c’est-à-dire un billionième de mètre). À l’aide d’appareils laser, l’équipe a mesuré le mouvement des deux faisceaux et la mesure de cet effet dynamique leur a permis de déduire l’amplitude de la constante gravitationnelle.

La valeur à laquelle les chercheurs sont parvenus en utilisant cette méthode est supérieure de 2,2 % à la valeur officielle actuelle fournie par le Comité des données pour la science et la technologie. Cependant, Dual reconnaît que la nouvelle valeur est sujette à une grande incertitude : « Pour obtenir une valeur fiable, nous devons encore réduire considérablement cette incertitude. Nous sommes déjà en train de prendre des mesures avec une valeur légèrement modifiée. dispositif expérimental permettant de déterminer la constante G avec encore plus de précision. » Les premiers résultats sont disponibles, mais n’ont pas encore été publiés. Pourtant, Dual confirme que « nous sommes sur la bonne voie ».

Les chercheurs mènent l’expérience à distance depuis Zurich, minimisant ainsi les perturbations pour le personnel sur place. L’équipe peut visualiser les données de mesure en temps réel quand elle le souhaite.

Un regard sur l’histoire de l’univers

Pour Dual, l’avantage de la nouvelle méthode est qu’elle mesure dynamiquement la gravité à travers des faisceaux mobiles. “Dans les mesures dynamiques, contrairement aux mesures statiques, peu importe qu’il soit impossible d’isoler l’effet gravitationnel d’autres corps”, dit-il. C’est pourquoi il espère que lui et son équipe pourront utiliser l’expérience pour aider à résoudre l’énigme de la gravité. La science n’a pas encore pleinement compris cette force naturelle ou les expériences qui s’y rapportent.

Par exemple, une meilleure compréhension de la gravité nous permettrait de mieux interpréter les signaux des ondes gravitationnelles. Ces types d’ondes ont été détectés pour la première fois en 2015 dans les observatoires LIGO aux États-Unis. Ils étaient le résultat de la fusion de deux trous noirs en orbite à une distance d’environ 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. Depuis lors, les scientifiques ont documenté des dizaines de tels événements ; s’ils pouvaient être retracés en détail, ils révéleraient de nouvelles perspectives sur l’univers et son histoire.

Un couronnement de carrière

Dual a commencé à travailler sur des méthodes pour mesurer la constante gravitationnelle en 1991, mais à un moment donné, il a mis son travail en attente. Cependant, l’observation des ondes gravitationnelles au LIGO lui donne un nouvel élan et en 2018 il reprend ses recherches. En 2019, l’équipe du projet a installé le laboratoire dans la forteresse de Furggels et a commencé de nouvelles expériences. En plus des scientifiques du groupe de Dual et d’un professeur de statistiques, le projet a également impliqué du personnel d’infrastructure tel que des spécialistes des salles blanches, un ingénieur électricien et un mécanicien. “Cette expérience n’aurait pas pu être réalisée sans des années d’efforts d’équipe”, déclare Dual.

Dual devient professeur émérite fin juillet de cette année et a déjà donné sa leçon d’adieu. “Une expérience réussie est une bonne façon de terminer ma carrière”, dit-il.