Des scientifiques mesurent la constante gravitationnelle d'une nouvelle façon

La constante gravitationnelle G détermine l'intensité de la gravité - la force qui fait tomber les pommes sur le sol ou qui attire la Terre dans son orbite autour du soleil. Elle 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. Cette constante ne peut pas être calculée mathématiquement; elle doit être déterminée par l'expérience.

Au fil des siècles, les scientifiques ont mené de nombreuses expériences pour déterminer la valeur de G, mais la communauté scientifique n'est pas satisfaite du chiffre actuel. Elle est toujours 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 qui ne peut être isolée: 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 mené une nouvelle expérience pour redéterminer la constante gravitationnelle et ont maintenant présenté leurs travaux dans la revue scientifique Nature Physics.

Une expérience inédite dans une ancienne forteresse

Pour exclure autant que possible les sources d'interférence, l'équipe de Jürg 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 se compose de deux faisceaux suspendus dans des chambres à vide. Après que les chercheuses et chercheurs ont fait vibrer l'un d'entre eux, le couplage gravitationnel a fait en sorte que le deuxième faisceau présente également un mouvement minimal (de l'ordre du picomètre, c'est-à-dire un trillionième de mètre). À l'aide de dispositifs laser, l'équipe a mesuré le mouvement des deux faisceaux, et la mesure de cet effet dynamique leur a permis de déduire la magnitude de la constante gravitationnelle.

La valeur à laquelle l'équipe de recherche est parvenue grâce à cette méthode est supérieure de 2,2 % à la valeur officielle actuelle donnée par le Comité sur les données pour la science et la technologie. Toutefois, Jürg Dual reconnaît que la nouvelle valeur est sujette à une grande incertitude: «Pour obtenir une valeur fiable, nous devons encore réduire cette incertitude de manière considérable. Nous sommes déjà en train d'effectuer des mesures avec un dispositif expérimental légèrement modifié afin de pouvoir déterminer la constante G avec encore plus de précision.» Les premiers résultats sont disponibles mais n'ont pas encore été publiés. Jürg Dual confirme néanmoins que «nous sommes sur la bonne voie».

Les scientifiques mènent l'expérience à distance depuis Zurich, ce qui minimise les perturbations du personnel présent sur place. L'équipe peut consulter les données de mesure en temps réel quand elle le souhaite.

Un aperçu de l'histoire de l'univers

Pour Jürg Dual, l'avantage de la nouvelle méthode est qu'elle mesure la gravité de manière dynamique via les faisceaux mobiles. «Dans les mesures dynamiques, contrairement aux mesures statiques, il importe peu qu'il soit impossible d'isoler l'effet gravitationnel des autres corps», explique-t-il. C'est pourquoi il espère que lui et son équipe pourront utiliser cette expérience pour aider à résoudre l'énigme de la gravité. La science n'a pas encore totalement compris cette force naturelle ni 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 ondes ont été détectées pour la première fois en 2015 par les observatoires LIGO aux États-Unis. Elles provenaient de deux trous noirs en orbite qui avaient fusionné à une distance d'environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. Depuis lors, les scientifiques ont documenté des dizaines d'événements de ce type; s'ils pouvaient être retracés en détail, ils révéleraient de nouvelles informations sur l'univers et son histoire.

Une carrière couronnée de succès

Jürg Dual a commencé à travailler sur des méthodes permettant de mesurer la constante gravitationnelle en 1991, mais avait à un moment donné mis ses travaux en suspens. Cependant, l'observation des ondes gravitationnelles à LIGO lui a donné un nouvel élan, et en 2018, il a repris ses recherches. En 2019, l'équipe du projet a installé le laboratoire dans la forteresse de Furggels et a commencé de nouvelles expériences. Outre les scientifiques du groupe de Jürg Dual et un professeur de statistiques, le projet a également mobilisé du personnel d'infrastructure, comme des spécialistes des salles blanches, un ingénieur électricien et un mécanicien. «Cette expérience n'aurait pas pu être menée à bien sans des années d'efforts collectifs», déclare Jürg Dual.

Jürg Dual deviendra professeur émérite à la fin du mois de juillet de cette année et a déjà donné sa conférence d'adieu. «Une expérience réussie est une belle façon de terminer ma carrière», dit-il.