les ondulations dans l’espace-temps sont ce que sont les ondes gravitationnelles, et elles voyagent dans l’espace à la vitesse de… de la lumière dans toutes les directions. Bien que les constantes de l’électromagnétisme n’apparaissent jamais dans les équations de la relativité générale D’Einstein, la vitesse de la gravité est sans aucun doute égale à la vitesse de la lumière. Voici pourquoi.,
European Gravitational Observatory, Lionel BRET / EUROLIOS
Si le soleil cessait spontanément d’émettre de la lumière, nous ne le saurions pas pendant environ 8 minutes et 20 secondes. La lumière qui arrive ici sur Terre, en ce moment même, a été émise par la photosphère du soleil un temps fini dans le passé, et n’est visible que maintenant après un voyage à travers les 150 millions de km (93 millions de miles) séparant le soleil de la Terre. Si le soleil devait s’assombrir maintenant, nous ne le saurions que lorsque la lumière cesserait d’arriver.
Mais qu’en est gravitationnellement?, Si le soleil était spontanément (en quelque sorte) retiré de l’existence, combien de temps la Terre resterait-elle sur son orbite elliptique avant de s’envoler en ligne droite? Croyez-le ou non, la réponse à cela doit être exactement la même durée que pour la lumière: 8 minutes et 20 secondes. La vitesse de la gravité est non seulement égale à la vitesse de la lumière à un degré d’observation incroyablement précis, mais ces deux constantes doivent être exactement égales théoriquement, sinon la relativité générale s’effondrerait. Voici la science derrière pourquoi.,
la loi de Newton de la Gravitation Universelle a été remplacée par la Relativité Générale d’Einstein, mais… s’est appuyé sur le concept d’une action instantanée (force) à distance, et est incroyablement simple. La constante gravitationnelle dans cette équation, G, ainsi que les valeurs des deux masses et la distance entre elles, sont les seuls facteurs permettant de déterminer une force gravitationnelle. G apparaît également dans la théorie D’Einstein.,
utilisateur de Wikimedia commons Dennis Nilsson
avant L’arrivée de la relativité générale, notre théorie la plus réussie de la gravitation était la loi universelle de la gravitation de Newton. Selon Newton, la force gravitationnelle entre deux objets dans l’espace définie par quatre paramètres:
- La constante gravitationnelle de l’Univers, de G, qui est la même pour tout le monde.
- la masse du premier objet, m, qui subit la force gravitationnelle. (Selon le principe d’équivalence D’Einstein, c’est le même m qui entre dans les lois du mouvement, comme F = ma.,)
- La masse de la deuxième objet, M, qui attire le premier objet.
- la distance entre eux, r, qui s’étend du centre de masse du premier objet au centre de masse du second.
gardez à l’esprit que ce sont les quatre seuls paramètres autorisés dans la gravitation Newtonienne. Vous pouvez effectuer toutes sortes de calculs à partir de cette loi de force pour dériver, par exemple, des orbites planétaires elliptiques autour du Soleil. Mais les équations ne fonctionnent que si la force gravitationnelle est instantanée.,
Les orbites des huit planètes majeures varier dans de l’excentricité et de la différence entre le périhélie… (approche la plus proche) et aphelion (distance la plus éloignée) par rapport au soleil. Il n’y a aucune raison fondamentale pour laquelle certaines planètes sont plus ou moins excentriques les unes que les autres; c’est simplement le résultat des conditions initiales à partir desquelles le système solaire s’est formé., Cependant, si vous désactiviez en quelque sorte les effets gravitationnels du soleil, les planètes ne s’envoleraient pas instantanément, mais plutôt les planètes intérieures s’envoleraient en premier, suivies des extérieures, car les signaux gravitationnels du soleil ne se propagent vers l’extérieur qu’à la vitesse de la gravité, qui devrait être égale à la vitesse de la lumière.
NASA / JPL-Caltech / R. Hurt
cela pourrait vous déconcerter un peu., Après tout, si la vitesse de la gravité n’est égale qu’à la vitesse de la lumière, plutôt qu’à une force infiniment rapide, alors la Terre devrait être attirée là où le soleil était il y a 8 minutes et 20 secondes, pas là où le Soleil est en ce moment. Mais si vous faites ce calcul à la place, et que vous permettez à la Terre d’être attirée par la position passée du soleil plutôt que par sa position actuelle, vous obtenez une prédiction pour son orbite qui est si fausse que Newton lui-même, avec des observations de qualité remontant à moins de 100 ans (à L’époque de Tycho Brahe), ,
en fait, si vous utilisiez les lois de Newton pour calculer les orbites des planètes et exigiez qu’elles correspondent aux observations modernes, non seulement la vitesse de la gravité devrait être plus rapide que la vitesse de la lumière, mais elle devrait être au moins 20 milliards de fois plus rapide: impossible de distinguer une vitesse infinie.
Un modèle précis de la façon dont les planètes tournent autour du Soleil, qui se déplace à travers la galaxie dans un… direction de mouvement différente., Si le soleil devait simplement faire un clin d’œil, la théorie de Newton prédit qu’ils s’envoleraient tous instantanément en lignes droites, tandis que celle d’Einstein prédit que les planètes intérieures continueraient à orbiter pendant des périodes plus courtes que les planètes extérieures.
Rhys Taylor
le problème est le suivant: si vous avez une force centrale, où une particule liée comme (par exemple) la Terre est attirée par le soleil mais se déplace autour du Soleil (en orbite ou en propagation) à une vitesse finie, vous n’obtiendrez une orbite purement elliptique que si la vitesse de propagation de cette, Si c’est fini, alors vous n’obtenez pas seulement une accélération radiale (vers l’autre masse), mais vous obtenez également une composante qui accélère votre particule tangentiellement.
cela rendrait les orbites non seulement elliptiques, mais instables. À l’échelle d’un siècle à peine, les orbites changeraient considérablement. En 1805, Laplace avait utilisé des observations de la Lune pour démontrer que la vitesse de la gravité Newtonienne devait être 7 millions de fois supérieure à la vitesse de la lumière. Les contraintes modernes sont maintenant 20 milliards de fois la vitesse de la lumière, ce qui est génial pour Newton. Mais tout cela a placé un grand fardeau sur Einstein.,
Un aspect révolutionnaire du mouvement relativiste, mis de l’avant par Einstein, mais, auparavant, construit par… Lorentz, Fitzgerald et d’autres, que les objets en mouvement rapide semblaient se contracter dans l’espace et se dilater dans le temps. Plus vite vous vous déplacez par rapport à quelqu’un au repos, plus vos longueurs semblent être contractées, tandis que plus le temps semble se dilater pour le monde extérieur., Cette image, de la mécanique relativiste, a remplacé l’ancienne vision newtonienne de la mécanique classique, mais a également des implications énormes pour les théories qui ne sont pas invariantes relativiquement, comme la gravité Newtonienne.
Curt Renshaw
selon Einstein, il y a un gros problème, conceptuellement, avec la loi de force gravitationnelle de Newton: la distance entre deux objets n’est pas une quantité absolue, mais dépend plutôt du mouvement de l’observateur., Si vous vous déplacez vers ou loin d’une ligne imaginaire que vous tracez, les distances dans cette direction se contracteront, en fonction de vos vitesses relatives. Pour que la force gravitationnelle soit une quantité calculable, tous les observateurs devraient obtenir des résultats cohérents, ce que vous ne pouvez pas obtenir en combinant la relativité avec la loi de force gravitationnelle de Newton.
Par conséquent, selon Einstein, vous deviez développer une théorie qui réunissait la gravitation et les mouvements relativistes, ce qui signifiait développer la relativité générale: une théorie relativiste du mouvement qui y incorporait la gravité., Une fois terminée, la relativité générale a raconté une histoire radicalement différente.
Un regard animé sur la façon dont l’espace-temps répond à mesure qu’une masse se déplace à travers elle aide à montrer exactement comment,… qualitativement, ce n’est pas simplement une feuille de tissu, mais tout l’espace lui-même est courbé par la présence et les propriétés de la matière et de l’énergie dans l’univers. Notez que l’espace-temps ne peut être décrit que si nous incluons non seulement la position de l’objet massif, mais où cette masse est située à travers le temps., L’emplacement instantané et l’histoire passée de l’endroit où cet objet était situé déterminent les forces ressenties par les objets se déplaçant à travers l’univers.
LucasVB
afin d’amener différents observateurs à s’entendre sur le fonctionnement de la gravitation, il ne peut y avoir d’espace absolu, de temps absolu ou de signal qui se propage à une vitesse infinie., Au lieu de cela, l’espace et le temps doivent tous deux être relatifs pour différents observateurs, et les signaux ne peuvent se propager qu’à des vitesses exactement égales à la vitesse de la lumière (si la particule de propagation est sans masse) ou à des vitesses inférieures à la vitesse de la lumière (si la particule a une masse).
pour que cela fonctionne, cependant, il doit y avoir un effet supplémentaire pour annuler le problème d’une accélération tangentielle non nulle, qui est induite par une vitesse finie de gravité., Ce phénomène, connu sous le nom d’aberration gravitationnelle, est presque exactement annulé par le fait que la relativité générale a également des interactions dépendantes de la vitesse. Lorsque la Terre se déplace dans l’espace, par exemple, elle sent la force du soleil changer lorsqu’elle change de position, de la même manière qu’un bateau traversant l’océan descendra dans une position différente lorsqu’il sera soulevé et abaissé à nouveau par une vague qui passe.
rayonnement Gravitationnel devient émise lorsqu’une masse d’orbites de l’autre, ce qui signifie que plus longs… assez d’échelles de temps, les orbites vont se désintégrer., Avant que le premier trou noir ne s’évapore, la Terre se précipitera dans tout ce qui reste du Soleil, en supposant que rien d’autre ne l’a éjecté auparavant. La terre est attirée par où le Soleil était d’environ 8 minutes, pas là où il est aujourd’hui.
Société Américaine de Physique
Ce qui est remarquable, et ce ne sont pas évident, c’est que ces deux effets s’annulent presque exactement., Le fait que la vitesse de la gravité soit finie est ce qui induit cette aberration gravitationnelle, mais le fait que la relativité générale (contrairement à la gravité Newtonienne) ait des interactions dépendantes de la vitesse est ce qui a permis à la gravité Newtonienne d’être une si bonne approximation. Il n’y a qu’une seule vitesse qui fonctionne pour faire de cette annulation une bonne: si la vitesse de la gravité est égale à la vitesse de la lumière.
c’est donc la motivation théorique pour laquelle la vitesse de la gravité devrait être égale à la vitesse de la lumière., Si vous voulez que les orbites planétaires soient cohérentes avec ce que nous avons vu et cohérentes pour tous les observateurs, vous avez besoin d’une vitesse de gravité égale à c, et que votre théorie soit relativiquement invariante. Il y a une autre mise en garde, cependant. En relativité générale, l’annulation entre l’aberration gravitationnelle et le terme dépendant de la vitesse est presque exacte, mais pas tout à fait. Seul le bon système peut révéler la différence entre les prédictions D’Einstein et de Newton.,
Lorsque la masse se déplace à travers une région de l’espace courbe, il fera l’expérience d’une accélération en raison de l’… espace incurvé qu’il habite. Il subit également un effet supplémentaire en raison de sa vitesse lorsqu’il se déplace dans une région où la courbure spatiale change constamment. Ces deux effets, lorsqu’ils sont combinés, entraînent une légère, minuscule différence par rapport aux prédictions de la gravité de Newton.,
David Champion, Institut Max-Planck de Radioastronomie
Dans notre propre voisinage, la force du Soleil, la gravité est trop faible pour produire un effet mesurable. Ce que vous voudriez, c’est un système qui avait de grands champs gravitationnels à de petites distances d’une source massive, où la vitesse de l’objet en mouvement est à la fois rapide et change (accélère) rapidement, dans un champ gravitationnel avec un grand gradient.
Notre Soleil ne nous donne pas, mais l’environnement autour d’un trou noir binaire ou binaire d’étoiles à neutrons ne!, Idéalement, un système avec un objet massif se déplaçant avec une vitesse changeante à travers un champ gravitationnel changeant mettra en valeur cet effet. Et un système binaire d’étoiles à neutrons, où l’une des étoiles à neutrons est un pulsar très précis, correspond exactement à la facture.
Lorsque vous avez un objet unique, comme un pulsar, orbite dans l’espace, il sera pouls à chaque fois qu’il… complète une rotation de 360 degrés à un observateur fortuitement aligné., Si vous placez ce pulsar dans un système binaire avec un autre objet dense et massif, il se déplacera rapidement dans cet espace, présentant à la fois les effets de l’aberration gravitationnelle et des interactions dépendantes de la vitesse, et leur annulation inexacte permet aux scientifiques de discerner les prédictions relativistes pour ce système des prédictions newtoniennes.
ESO/L. Calçada
Un pulsar, et en particulier, un pulsar milliseconde, est le meilleur naturel de l’horloge dans l’Univers., Lorsque l’étoile à neutrons tourne, elle émet un jet de rayonnement électromagnétique qui a une chance d’être aligné avec la perspective de la Terre une fois toutes les rotations de 360 degrés. Si l’alignement est correct, nous observerons ces impulsions arriver avec une précision et une précision extraordinairement prévisibles.
si le pulsar est dans un système binaire, cependant, alors se déplacer à travers ce champ gravitationnel changeant provoquera l’émission d’ondes gravitationnelles, qui transportent l’énergie loin du système gravitationnel. La perte de cette énergie doit venir de quelque part, et est compensée par la désintégration des orbites du pulsar., Les prédictions de désintégration du pulsar sont très sensibles à la vitesse de la gravité; en utilisant même le tout premier système Pulsar binaire jamais découvert par lui-même, PSR 1913+16 (ou le binaire Hulse-Taylor), nous a permis de contraindre la vitesse de la gravité à être égale à la vitesse de la lumière à seulement 0,2%!
Le taux de déclin orbital d’un pulsar binaire est fortement dépendante de la vitesse de la gravité et de la… paramètres orbitaux du système binaire. Nous avons utilisé des données de pulsar binaires pour contraindre la vitesse de la gravité à être égale à la vitesse de la lumière à une précision de 99.,8%, et pour déduire l’existence d’ondes gravitationnelles des décennies avant que LIGO et Virgo ne les détectent. Cependant, la détection directe des ondes gravitationnelles était une partie essentielle du processus scientifique, et l’existence des ondes gravitationnelles serait encore mise en doute sans elle.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
Depuis lors, d’autres mesures ont également démontré l’équivalence entre la vitesse de la lumière et la vitesse de la gravité., En 2002, une coïncidence fortuite a provoqué l’alignement de la Terre, de Jupiter et d’un quasar radio très puissant (connu sous le nom de QSO J0842+1835). Alors que Jupiter passait entre la Terre et le quasar, ses effets gravitationnels ont fait plier la lumière stellaire d’une manière qui dépendait de la vitesse de gravité.,
Jupiter a en effet plié la lumière du quasar, ce qui nous a permis d’exclure une vitesse infinie pour la vitesse de la gravité et de déterminer qu’elle se situait en fait entre 255 millions et 381 millions de mètres par seconde, ce qui correspond à la valeur exacte de la vitesse de la lumière (299 792 458 m / s) et aussi aux prédictions D’Einstein. Plus récemment encore, les premières observations des ondes gravitationnelles nous ont apporté des contraintes encore plus strictes.
Illustration d’un sursaut gamma rapide, longtemps pensé pour se produire de la fusion d’étoiles à neutrons. Le…, l’environnement riche en gaz qui les entoure pourrait retarder l’arrivée du signal, expliquant la différence observée de 1,7 seconde entre les arrivées des signatures gravitationnelles et électromagnétiques. C’est la meilleure preuve que nous ayons, observationnellement, que la vitesse de la gravité doit être égale à la vitesse de la lumière.,
ESO
à partir de la toute première onde gravitationnelle détectée et de la différence dans leurs temps d’arrivée à Hanford, WA et Livingston, LA, nous avons directement appris que la vitesse de la gravité égalait la vitesse de la lumière à environ 70%, ce qui n’est pas une amélioration par rapport aux contraintes Mais quand 2017 a vu l’arrivée à la fois des ondes gravitationnelles et de la lumière d’une fusion étoile à neutrons-étoile à neutrons, le fait que les signaux de rayons gamma sont venus seulement 1.,7 secondes après le signal de l’onde gravitationnelle, à travers un voyage de plus de 100 millions d’années-lumière, nous a appris que la vitesse de la lumière et la vitesse de la gravité ne diffèrent pas de plus de 1 partie dans un quadrillion: 1015.
tant que les ondes gravitationnelles et les photons n’ont pas de masse de repos, les lois de la physique dictent qu’ils doivent se déplacer exactement à la même vitesse: la vitesse de la lumière, qui doit être égale à la vitesse de la gravité., Même avant que les contraintes ne deviennent aussi spectaculaires, exiger qu’une théorie gravitationnelle reproduise les orbites newtoniennes tout en étant invariante relativiquement conduit à cette conclusion inévitable. La vitesse de la gravité est exactement la vitesse de la lumière, et la physique ne lui aurait pas permis d’être autrement.