Il y a un siècle, le 29 Mai 1919, une éclipse totale de soleil s'est produite au-dessus de l'Afrique et de l'Amérique du Sud. Lors de cette éclipse, deux astronomes anglais, Eddington et Dyson ont pu observer un phénomène fascinant et non des moindres.
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| Image originale de l'éclipse du 29 Mai 1919. Crédit: F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson |
Dans cet article, nous allons découvrir l'expérience qui a permis de donner à Albert Einstein le statut de génie auprès des scientifiques du monde entier.
★ Rappels sur la Relativité Générale
"L'idée la plus heureuse de ma vie", tels furent les mots de l'illustre scientifique Albert Einstein lorsqu'il publia en 1915 la théorie de la relativité générale. Les lois sur lesquelles s'appuie cette théorie n'existaient pas auparavant, et nécessitaient donc une validation par l'expérience, c'est-à-dire une mise à l'épreuve de ses prédictions sur des phénomènes scientifiques bien connus.
La relativité générale est basée sur une nouvelle approche de la gravité, une approche qui renverse fondamentalement la loi universelle de la gravitation de Newton jusque là établie depuis 1687. Ainsi, dans la théorie révolutionnaire d'Einstein, le temps et l'espace se courbent avec la gravité, c'est-à-dire que la présence de masse/matière agit sur l'espace et le temps ; ce que résume en une phrase le professeur John Wheeler " la matière dit à l'espace comment se courber et l'espace dit à la matière comment se mouvoir ".
La conséquence de ce concept amène à visualiser chaque corps massif de l'univers comme un dé-traqueur de l'espace-temps: par exemple, une étoile massive déforme les 3 dimensions de l'espace qui l'entourent (et également le temps) par l'effet de la gravité. Il ne faut plus voir la gravité comme une force mais comme une déformation (courbure) de l'espace-temps, telle une boule de bowling, qui, posée sur un trampoline déformerait localement la toile élastique qui le compose.
Placée dans son contexte, on imagine assez facilement qu'une grande majorité des scientifiques restait à l'époque sceptique quant à l'idée de renverser le modèle de la gravitation de Newton. Il leur manquait des preuves, et c'est légitime de leur part ! En effet, l'objectif de toute théorie est de subir une batterie de tests sur des exemples concrets d'application, puisque dans le cas contraire elle resterait sans valeur. Malgré le manque d'enthousiasme auprès des scientifiques, Einstein avait déjà réfléchi en 1915 à 3 expériences d'observations pouvant démontrer le caractère juste de ses prédictions :
- la précession du périhélie de Mercure,
- la déviation de la lumière des étoiles passant près du soleil ou
- encore le décalage vers le rouge de la lumière par la gravité.
La proposition de mesurer la courbure des rayons lumineux d'étoiles au voisinage du soleil pendant une éclipse totale retint l'attention de deux scientifiques : Arthur Eddington et Frank Dyson.
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| Albert Einstein (gauche), Arthur Eddington (centre) et Frank Dyson (droite) |
★Comment une éclipse totale de soleil permet-elle de démontrer la théorie de la relativité générale ?
En reprenant les explications développées précédemment, nous avons vu que des corps massifs comme des étoiles, amas d'étoiles, des galaxies ou encore des trous noirs déforment l'espace qui les entoure par la gravité. Puisque la lumière suit des lois physiques précises de l'espace, c'est l'espace qui dicte à la lumière quel chemin elle doit prendre pour se propager. Par conséquent, en présence d'un corps massif, la lumière est déviée comme elle serait déviée au-travers d'une lentille de verre.
Les rayons lumineux d'une étoile lointaine sont parallèles. Dès lors que la lumière passe à proximité d'un objet céleste massif comme le soleil, les rayons sont déviés vers l'intérieur avec un certain angle qui dépend de la distance séparant ces rayons au champ gravitationnel de l'étoile. C'est cet effet trompeur qui montre que l'étoile lointaine est plus distante du soleil qu'elle ne l'est en réalité.
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| Illustration de l'effet de lentille gravitationnelle. Crédit : ESA/NASA/Calçada. |
Remarque : L'effet de courbure de l'espace-temps est couramment vérifié dans les observations modernes sur des objets très massifs (amas d'étoiles, amas de galaxies...). Il permet d'agrandir naturellement l'image d'un objet situé en arrière-plan par l'effet de lentille gravitationnelle et facilite la détection de nouveaux corps célestes.
En temps normal, il est impossible de mesurer la déviation de la lumière des étoiles proches du Soleil puisque ce dernier est extrêmement lumineux et masque le ciel étoilé en plein jour. Il faut donc trouver un moment où la lumière du soleil est bloquée. Sur Terre, nous avons la chance inouïe de d'avoir une Lune qui peut recouvrir totalement le disque solaire : c'est l'éclipse totale de soleil ! Cette coïncidence s'explique par le diamètre de la Lune qui est 400 fois plus petit que celui du soleil mais à contrario, la Lune est 400 fois plus proche de la Terre que ne l'est le soleil : c'est cet équilibre entre distance et diamètre du Soleil et de la Lune qui donne à la Lune un diamètre apparent identique au Soleil.
★ L'éclipse de 1919
C'est cette déviation des rayons lumineux que vont tenter de mesurer Eddington et Dyson au cours de leur deux expériences simultanées à des lieux différents. C'est sur l'île de Principe, sur la côte Ouest de l'Afrique qu'Eddington mena son expérience tandis que Dyson choisit la ville de Sobral au Brésil.
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| Matériel qui a permis l'expérience de 1919 à Sobral au Brésil. |
Le principe de l'expérience était très simple : à l'aide de télescopes et de plaques photographiques, les astronomes ont enregistré des images dévoilant la position des étoiles pendant l'éclipse totale, puis les ont comparées avec des images de la même région du ciel en l'absence d'éclipse. La différence de position entre ces 2 instants permet de retrouver l'angle de déviation des rayons lumineux près du soleil.
L'éclipse totale de 1919 présentait deux avantages exceptionnels :
- Une durée de totalité de plus de 5 minutes, permettant de réaliser plusieurs mesures et de multiplier les chances d'avoir des images exploitables. A titre de comparaison, l'éclipse totale de 2017 aux USA n'avait duré que 2 minutes. L'éclipse de 1919 est la plus longue éclipse jamais observée en 5 siècles.
- La présence de l'amas des Hyades qui servit de cible de mesure. Ce célèbre amas de la constellation du Taureau a la particularité de posséder un grand nombre d'étoiles lumineuses. Cela permis à l'époque de réduire les erreurs de détection des plaques photographiques, moins sensibles que nos caméras du 21ième siècle.
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| Passage de l'éclipse totale de 1919 projetée sur la Terre. Simulation avec l'outil Google Maps de Xavier Jubier. |
Les résultats de ces deux expériences au Brésil et en Afrique ont pu montrer une déviation de la lumière de 1.6 secondes d'arc pour Eddington et de 1.98 secondes d'arc pour la seconde. Einstein avait prédit théoriquement une déflexion de 1.75 secondes d'arc. Ces angles sont extrêmement faibles et sont similaires à une tablette tactile de 10 pouces observée à 30 km de distance.
Dès la publication de ces résultats surprenants, la théorie de la relativité générale d'Einstein subit un déferlement de popularité auprès de la communauté scientifique mondiale. L'éclipse de 1919 est la toute première observation vérifiant sa théorie. Depuis, elle porte fièrement le nom de l'Eclipse d'Einstein en rapport à cette formidable expérience.
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| A.Einstein (gauche) et A.Eddington à Cambridge, en 1930 |
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