Relativité Générale - LUTH - Observatoire de Paris

3.4 Décalage spectral gravitationnel (effet Einstein) 67
3.4.4 Mise en évidence expérimentale et observationnelle
Expérience de Pound & Rebka (1960)
Cette expérience a consisté à comparer les fréquences de la raie gamma (E = 14 keV,
λ = 0.09 nm) de désintégration du 57 Fe (isotope instable du fer, de durée de vie 10 −7 s)
entre le bas et le sommet d’une tour de l’Université d’Harvard [32]. On a alors M = M⊕ =
6.0 × 10 24 kg, r0 = R⊕ = 6.4 × 10 6 m, hrec − hem = 22.5 m, si bien que (3.69) donne
z 2 × 10 −15 . (3.78)
Ce décalage spectral extrêmement petit a pu être mis en évidence grâce à l’effet Mossbauer,
qui réduit considérablement la largeur de raie Doppler. La valeur obtenue est en
accord avec la prédiction de la relativité générale avec une marge d’erreur d’environ 10%.
L’expérience fut reproduite en 1965 par Pound & Snider [33] qui atteignirent un accord
de 1% avec la relativité générale.
Expérience de Vessot & Levine (18 juin 1976)
Pour augmenter la précision, il fallait accroître la différence d’altitude entre l’émetteur
et le récepteur. L’idée fut alors de lancer une fusée avec une horloge embarquée et de
comparer sa fréquence avec celle d’une horloge identique restée au sol. L’expérience a été
réalisée sous le nom de Gravity Probe A le 18 juin 1976 avec une horloge atomique à
maser H (λ = 21 cm) embarquée sur une fusée Scout D [38]. On a dans ce cas M = M⊕ =
6.0 × 10 24 kg, rem = 2.5R⊕ = 1.6 × 10 7 m, et rrec = R⊕, si bien que (3.64) donne
z −4 × 10 −10 . (3.79)
Bien que considérablement plus grand que (3.78), ce décalage spectral est 10 5 fois plus
petit que le décalage Doppler dû au mouvement de la fusée ! La mesure a été rendue
possible grâce à l’utilisation d’un transpondeur à bord de la fusée qui, recevant un signal
du sol, le renvoie à exactement la même fréquence que celle à laquelle il l’a reçue. La
fréquence du signal retour mesurée au sol est décalée par l’effet Doppler du premier ordre,
et ce doublement : une fois à l’aller, l’autre fois au retour (dans les deux cas l’émetteur
et le récepteur s’éloignent l’un de l’autre, ce qui donne un décalage vers le rouge). Par
contre, le signal qui revient à la station au sol n’est affecté ni par l’effet Doppler du second
ordre (dû au facteur de Lorentz), ni par l’effet Einstein. Le trajet retour annule en effet
les deux décalages de ce type subits à l’aller. Ayant mesuré l’effet Doppler du premier
ordre par ce biais, on obtient la vitesse de la fusée. On peut alors calculer l’effet Doppler
du second ordre. Ayant les deux effets Doppler, on les retranche au signal et il ne reste
plus que l’effet Einstein. Les résultats de l’expérience de Vessot & Levine ont ainsi été
suffisamment précis pour affirmer que l’accord avec la prédiction de la relativité générale
de 7 × 10 −5 .
Horloges spatiales à atomes froids : ACES/PHARAO
Le projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) de l’ESA est un ensemble d’horloges
atomiques qui doit être installé sur la Station Spatiale Internationale. Il comprend