Les scientifiques mesurent le plus petit champ gravitationnel à ce jour

La gravité est mesurée entre deux masses d’or d’1 mm de rayon chacune rapprochées l’une de l’autre — © Barbara Mair

Des scientifiques autrichiens ont établi un nouveau record en mesurant le champ gravitationnel d’une sphère en or d’une masse de 90 milligrammes seulement. Ce type d’expérience pourrait nous aider à comprendre comment la gravité s’accorde avec la mécanique quantique à la plus petite échelle.

Une expérience « sensible »

Notre compréhension de la gravité reste encore incomplète. Les connaissances accumulées jusqu’à présent par les physiciens ne permettent pas d’expliquer comment l’énergie noire accélère l’expansion de l’Univers, et ne s’accordent pas non plus avec la mécanique quantique, qui décrit le comportement des objets à très petite échelle. Afin de tenter d’assembler les pièces de ce puzzle complexe, l’une des principales approches consiste actuellement à étudier comment des objets de masse réduite interagissent avec celle-ci.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, Markus Aspelmeyer et ses collègues de l’université de Vienne, en Autriche, ont poussé ce type d’expérience à l’extrême, en utilisant un pendule horizontal ultra-sensible pour mesurer le champ gravitationnel d’une minuscule sphère en or d’1 millimètre de rayon.

Les chercheurs ont fait bouger la sphère en or (se trouvant à proximité d’une sphère similaire fixée au pendule) d’avant en arrière sur une distance d’environ 1,6 millimètre. La gravité de la première sphère a déplacé la seconde de quelques nanomètres seulement, ce qui a eu pour effet de faire osciller le pendule. En mesurant le mouvement de celui-ci, l’équipe a pu calculer le champ gravitationnel de la première sphère, se trouvant être l’objet le moins massif dont la gravité ait été mesurée à ce jour.

Comparaison de la sphère en or par rapport à une pièce de 1 centime. La gravité peut être considérée comme provenant d’une déformation de l’espace-temps, comme le montre l’effet appliqué à l’image — © Tobias Westphal / Arkitek Scientific

Pour mesurer ces minuscules effets gravitationnels, l’expérience devait être extraordinairement sensible. Réalisée dans une chambre à vide, afin que les molécules de gaz rebondissant les unes sur les autres n’affectent pas les résultats, celle-ci est intervenue au milieu de la nuit autour de Noël, période de l’année où l’activité sismique se révèle la plus faible. Une cage de Faraday a également été placée entre les sphères d’or afin de la protéger des forces électromagnétiques.

Sonder l’énergie noire et la physique quantique

« Nous avons même détecté le premier coureur du marathon de Vienne, qui se termine à deux kilomètres de notre laboratoire, ce qui montre la sensibilité de l’expérience », explique Aspelmeyer. Pour tester les propriétés les plus fondamentales de la gravité, la prochaine devra être encore plus sensible. Les chercheurs y travaillent déjà, notamment en proposant un dispositif expérimental où les sphères et le pendule lévitent.

« Il s’avère que lorsque vous réalisez des expériences qui testent la gravité à de très petites échelles avec de très petites masses, vous pouvez, en théorie, sonder à la fois l’énergie noire et la physique quantique », avance Aspelmeyer. « Cette expérience laisse entrevoir la possibilité de pouvoir mesurer directement les forces gravitationnelles à l’œuvre dans un système quantique, afin de tenter d’unifier la gravité et le monde quantique. »

Par Yann Contegat, le 14 mars 2021