Alors que le ciel du matin s'obscurcissait sur l'ouest de l'Oregon, les trois alpagas de Richard Berry se retirèrent dans leur grange. La lumière du jour atténuée et la petite foule qui s'était rassemblée à la ferme Berry - des troupeaux de gens à l'extérieur munis de lunettes solaires en carton et de drones quadricoptères - ont stressé les animaux. Pendant ce temps, la lune et le soleil jouaient un rare ballet céleste au-dessus de leurs têtes.
Le 21 août 2017, la première éclipse totale d'énergie solaire sur les deux côtes de la partie continentale des États-Unis depuis 99 ans était en cours. Mais Berry, astronome amateur et ancien rédacteur en chef du magazine Astronomy, et un groupe d'étudiants du Portland Community College n'étaient pas seulement là pour admirer la vue. Ils avaient préparé leurs télescopes et leur matériel photographique pour reproduire la plus célèbre expérience d'éclipse de tous les temps, le premier test réussi de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Près de cent ans avant la Grande Eclipse américaine, deux équipes d'astronomes se sont aventurées vers des rivages lointains pour observer une éclipse qui convainquerait un monde sceptique que les théories de la gravité d'Isaac Newton étaient fausses.
L'une des conséquences de la théorie d'Einstein, publiée pour la première fois en 1915, est que les objets célestes gigantesques, comme le soleil, courbent le tissu de l'espace-temps autour d'eux - c'est ainsi qu'Einstein a expliqué l'attraction de la gravité. Cette théorie de l'astrophysique est très différente de la conception de Newton de la gravité en tant que force d'attraction exercée par toute matière. Selon Einstein, toute lumière se déplaçant à proximité d'un objet massif est courbée avec l'espace-temps. Au début du 20e siècle, Einstein a trouvé un moyen de démontrer cette théorie apparemment absurde en utilisant une éclipse solaire totale.
Einstein a présenté le défi comme suit: Déterminez la position des étoiles autour du soleil pendant la totalité, ces moments précieux où la lumière directe du soleil est totalement bloquée par la lune, ce qui permet de voir les étoiles à l'arrière-plan. Et observez les mêmes étoiles lorsqu'il n'y a pas d'éclipse. Si sa théorie du général était relativement correcte, il y aurait une légère différence dans la position de ces étoiles - un changement invisible à l'œil humain, mais détectable par une mesure fine.
En 1919, les astronomes anglais Arthur Eddington et Frank Dyson organisèrent des expéditions sur l’île de Principe, au large de la côte ouest de l’Afrique, et à Sobral (Brésil), respectivement, afin de déterminer si Einstein avait raison. La journée fatidique était le 29 mai. Une fois qu'ils ont publié leurs résultats, le monde ne serait plus jamais pareil - ou du moins, notre compréhension de celui-ci.
Arthur Eddington (à gauche) et Frank Dyson (à droite). (Domaine public) En 2017, Toby Dittrich, professeur de physique au Portland Community College, a coordonné une douzaine de groupes d'observateurs, dont Berry, envoyant deux de ses étudiants à la ferme d'alpaca et d'autres dans une montagne de l'Oregon pour voir s'ils pourraient faire au moins aussi bien qu'Eddington et Dyson.
Les deux efforts ont dû faire face à des défis techniques et à la versatilité des conditions météorologiques, sachant que la fenêtre d'opportunité permettant d'observer la totalité serait éphémère.
En 1919, les astronomes avaient le luxe distinct de plus de cinq minutes de totalité. En 2017, la phase d'éclipse totale n'a duré que deux minutes environ pour les téléspectateurs américains. Les nuages ou le vent qui passent pourraient gâcher les observations à ces moments précieux. En fait, la couverture nuageuse a gâché un test de relativité lors de l’éclipse totale de Soleil aux États-Unis de 1918.
Don Bruns, astronome amateur basé à Casper dans le Wyoming pour l'éclipse de 2017 et coordonnant les efforts de Dittrich, a été partiellement inspiré par quatre tentatives infructueuses de réplication de l'expérience Eddington-Dyson entre 1936 et 1954.
«En faisant cela, je laisse les astronomes reposer en paix», explique Bruns.
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Les compétences respectives d'Eddington et de Dyson les ont bien adaptés à cette tâche de poursuite des éclipses. Dyson était l'astronome royal d'Angleterre et dirigeait l'observatoire royal de Greenwich. Eddington a dirigé le Cambridge Observatory, et il s'est également fait un nom dans le domaine de la théorie pour montrer que le soleil peut exister tel que nous le connaissons, plutôt que de s'effondrer sous son propre poids, car la lumière exerce elle-même une pression extérieure.
Cette image montre le spectre de flash de la chromosphère du soleil, la deuxième à la plus haute couche de l'atmosphère du soleil, pendant la totalité de l'éclipse du 21 août 2017 au-dessus de l'Oregon. L'image capture l'éclipse à chaque longueur d'onde de la lumière émise par les atomes de la chromosphère. Par exemple, les atomes d'hydrogène émettant de la lumière à la longueur d'onde "hydrogène alpha" produisent une lumière rouge à droite, alors que les atomes de calcium produisent le violet à gauche. (Richard Berry / Observatoire Alpaca Meadows) L’effort Principe, stationné dans une zone cacaoyère au nord-ouest de l’île africaine, a été réalisé par Eddington et Edwin Cottingham. Selon le nouveau livre de Daniel Kennefick, No Shadow of a Doubt: L'éclipse de 1919 confirmant la théorie de la relativité d'Einstein, le duo utilise principalement du matériel emprunté à l'Observatoire d'Oxford.
Eddington a probablement effectué personnellement toutes les analyses de données de son expédition, bien qu'aucun dossier qu'il ait créé au cours de son voyage n'ait survécu - pas même les plaques photographiques d'origine, qui ont disparu au fil du temps. Selon le récit de première main de l'astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar, Dyson aurait déclaré à Cottingham que si Eddington observait une quantité de déviation deux fois plus grande que celle prédite par Einstein, un résultat étrange que ni le cadre d'Einstein ni celui de Newton n'anticiperait: «Eddington deviendra fou, et vous rentrer seul à la maison. "
Pendant ce temps, Dyson n'a pas quitté l'Angleterre pour l'occasion. À Sobral (Brésil), il a envoyé deux membres de son personnel, Charles Davidson et Andrew Crommelin, ainsi que du matériel de son observatoire. À leur retour, Dyson a dirigé l'analyse des données de l'équipe et a collaboré avec Eddington sur le rapport final.
Chacune des 1919 équipes devait revenir avec deux données critiques encodées sur des plaques de verre. Au moins une assiette serait prise pendant la totalité, tandis que l'autre a été faite la nuit avec les mêmes étoiles dans le ciel, mais sans soleil ni lune au premier plan. Même si cela était bien fait, la personne qui analysait les plaques aurait un réel défi.
«Les étoiles, bien sûr, ressemblaient à de petits cercles sur les assiettes», dit Kennefick. «Il se trouve que le changement de position est en réalité inférieur à la taille du cercle. C'est donc une mesure très, très fine à faire. C'est une mesure très difficile à faire. "
Heureusement, Dyson gagnait sa vie en faisant ce genre d'observations. Son travail habituel consistait à étudier attentivement les positions des étoiles et à examiner de petits changements. Il a utilisé un petit appareil appelé vis micrométrique, qui a traversé la plaque d'un point à un autre et a mesuré la distance entre les objets.
Ils eurent de la chance le jour de l'éclipse de 1919, car le soleil était proche d'un groupe d'étoiles très lumineuses appelées Hyades, que Eddington appelait «de loin le meilleur champ d'étoiles rencontré.» Leur luminosité les rendrait plus faciles à repérer sur une plaque de télescope. que les étoiles plus faibles, qui pourraient être perdus dans la lueur de la région extérieure de l'atmosphère du soleil, appelée la couronne. (Ce plasma surchauffé n'est visible à l'œil nu que lors d'une éclipse totale de soleil, alors qu'il semble miroiter autour du soleil éteint.)
Une copie de la plaque de l'expédition Dyson de 1919, avec des marques qui semblent avoir été faites par le groupe de Dyson. (Institut Niels Bohr, Université de Copenhague) Bien que l'expérience à deux volets ait été couronnée de succès, toutes deux se rapprochant de la prédiction d'Einstein concernant l'ampleur de la déviation, ce n'était pas sans controverse. L'un des deux télescopes de l'expédition Sobral a produit des plaques douteuses, avec des étoiles qui ressemblaient plus à des taches qu'à des cercles. Dyson semble avoir lancé un appel à la divulgation des données et certains historiens se demandent si le groupe Eddington-Dyson espérait tellement pouvoir prouver à Einstein qu'il avait mal jeté des données non conformes.
Mais Kennefick dit qu'il est peu probable que Dyson ait falsifié les résultats. Eddington était le scientifique qui avait soutenu vocalement les prédictions d'Einstein avant l'expérience, et il n'avait rien à voir avec le fait de lancer des assiettes Sobral.
«Il est rare d'être complètement neutre en science ou dans la vie», écrit Kennefick. "Punir Eddington pour avoir articulé ses préférences avec honnêteté, c'est simplement demander à des scientifiques de supprimer leurs points de vue de façon malhonnête."
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Einstein ne semblait pas trop préoccupé par le fait que sa théorie de niche d'alors serait finalement mise à l'épreuve. Certains ont même suggéré qu'il était content de toute cette épreuve, tellement sûr de sa théorie qu'il n'était pas du tout inquiet quant à ce que les expéditions de 1919 trouveraient.
«Des scientifiques célèbres lui ont dit:" Je ne peux vraiment pas croire à quel point vous étiez calme, "dit Kennefick. «Ils étaient comme: 'Oh mon Dieu, c'est incroyable.' Et il disait: "Oui, je savais."
Photographie d'Albert Einstein datée de 1921. (Archives de l'histoire universelle / UIG via Getty Images) Mais malgré le doute de Einstein, il souhaitait que l'expérience soit menée à bien. Dès 1911, il avait écrit à d'autres astronomes pour leur demander s'ils pouvaient faire ce type d'expérience d'éclipse, et il a activement collecté des fonds pour la cause. Il a financé l'expédition de l'astronome allemand Erwin Freundlich en Crimée en 1914 afin de réaliser les observations d'éclipse qu'Eddington ferait éventuellement, mais le voyage de Freundlich a été désastreux. L'archiduc Franz Ferdinand a été assassiné alors que Freundlich traversait la Russie. La Première Guerre mondiale a éclaté. L'astronome a été arrêté par les hommes du tsar et son équipement a été confisqué.
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La physicienne et philosophe Ilse Rosenthal-Schneider se serait trouvée avec Einstein juste après avoir reçu un télégramme en septembre 1919, annonçant que l'expérience Eddington-Dyson confirmait ses prédictions. Elle a écrit qu'Einstein semblait heureuse mais pas extatique, et son manque d'enthousiasme l'a surprise.
«Alors, elle a dit: 'Eh bien, qu'auriez-vous dit si la théorie l'avait trouvé contre vous? Auriez-vous été déçu, dans cet événement? ", Dit Kennefick. "Et [Einstein] a souri et a dit:" Eh bien, j'aurais été désolé pour le cher seigneur, parce que la théorie est correcte. "
Les résultats ont été officiellement présentés à la réunion de la Royal Society à Londres le 6 novembre 1919, propulsant Einstein dans le monde entier. Selon le compte-rendu du mathématicien Alfred North Whitehead: «Toute l’intensité de l’intérêt présent était exactement celle du drame grec: nous étions le choeur commentant le décret du destin révélé dans le développement d’un incident suprême. Il y avait une qualité dramatique dans la mise en scène même - le cérémonial traditionnel, et à l'arrière-plan l'image de Newton pour nous rappeler que la plus grande des généralisations cérémoniales allait maintenant, après plus de deux siècles, recevoir sa première modification. "
Cette vue, composée de 23 images individuelles superposées, montre 42 étoiles, entourées en jaune, entourant le soleil pendant la totalité. Le visage de la lune est visible à cause de "l'éclat de la terre" - la lumière du soleil réfléchie par la Terre - qui rebondit alors sur la lune. Les grands anneaux montrent la couronne capturée à différents temps d'exposition. (Richard Berry / Observatoire Alpaca Meadows) Il y a eu cependant une autre éclipse solaire en 1922, donnant aux autres l'occasion de corroborer les résultats d'Eddington et de Dyson. Mais naturellement, en 1919, les astronomes «ont été excités. Ils etaient heureux. Ils étaient sous tension. Mais ils ont apprécié [ils pourraient] vérifier dans trois ans », déclare Kennefick. "Il ne sert à rien de mettre le champagne sur la glace pendant trois ans."
Pour cette éclipse de 1922, un groupe de l'Observatoire de Californie (Californie) a réalisé une expérience de suivi et obtenu des résultats très proches de ceux d'Edington et de Dyson, mais Einstein était déjà bien célébré. (Dyson a également essayé de répéter l'expérience, mais sa vue était obscurcie.)
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Aucun effort professionnel n'a tenté de reproduire l'expérience Eddington-Dyson depuis 1973, les éclipses n'étant plus nécessaires pour mesurer la déviation de la lumière solaire annoncée par Einstein. Les radiotélescopes, par exemple, ont permis aux scientifiques des années 1970 d'observer le soleil se courber sous l'effet de la lumière de quasars - des noyaux galactiques super brillants, chacun consistant en un trou noir géant entouré d'un disque émettant d'énormes quantités d'énergie - pendant la journée sans aide d'une éclipse.
La plupart des douze groupes d'amateurs Dittrich ont coordonné en 2017 de répéter la version de l'expérience éclipse du début du XXe siècle et ont appris à quel point une seule expérience peut échouer. Sur dix sites, les participants ont eu des problèmes d'équipement, tels que l'alimentation électrique et la surexposition, ou la turbulence atmosphérique, et ils n'ont pas obtenu de données exploitables. Un groupe a accidentellement frappé le trépied du télescope à un moment critique. Ces gaffes soulignent à quel point les deux expéditions de 1919 devaient avoir la chance de capturer toutes les étoiles utilisables.
Berry et les étudiants du Portland Community College travaillant avec lui ont été l'un des deux groupes qui ont réussi dans la collaboration de 12 sites. Et puis il y avait Don Bruns, cet astronome amateur prêt à passer à l'action à Casper, dans le Wyoming. Il se préparait depuis plus d’un an pour ses observations et il s’était entraîné maintes fois pendant ces minutes cruciales de la totalité. Il a eu un "succès spectaculaire" avec ses observations, dit Dittrich.
Les astronomes amateurs se préparent à observer l'éclipse totale de 2017. De gauche à droite: Abraham Salazar (étudiant), Jacob Sharkansky (étudiant), Richard Berry (astronome amateur), Steve Pinkston (étudiant) et Toby Dittrich (professeur). (Gracieuseté de Richard Berry) Les données de l'expédition d'Eddington à Principe se sont traduites par une légère déviation de 1, 6 seconde - une mesure angulaire de la distance à travers le ciel -, tandis que les plaques de l'équipage de Dyson à Sobral suggéraient 1, 98 seconde d'arc et une marge d'incertitude de quelque 30%. En 2017, Bruns, un physicien optique à la retraite, prenait des images qui correspondaient exactement au nombre prédite par Einstein - une déviation de 1, 7512 seconde d'arc - avec une incertitude de seulement 3% liée à la turbulence atmosphérique.
Bruns a été récompensé par le Chambliss Amateur Achievement Award de la American Astronomical Society. Ses résultats ont été publiés dans la revue Classical and Quantum Gravity.
Berry, Bruns et Dittrich attendent déjà avec impatience 2024, la prochaine fois qu'une éclipse totale de soleil apportera la magie de la totalité aux États-Unis, en diagonale du Texas au Maine. Dittrich indique que le groupe souhaite planifier un effort plus important pour répéter l'expérience, avec des résultats probablement encore plus précis que ceux obtenus par Bruns en 2017 s'ils peuvent réduire l'incertitude due à la turbulence de l'air.
En regardant l'expérience Eddington-Dyson, Berry est toujours impressionné par la signification de ce que les équipes ont fait il y a 100 ans.
«C’était une expérience à faire et cela a vraiment, vraiment fait une différence. Si vous ne faites que suivre l'évolution de la relativité, puis de la mécanique quantique et des éléments qui ont suivi, a déclaré Berry, notre monde moderne dépend totalement de ce qui s'est passé.
