Une nouvelle contrainte sur la masse du "graviton"

Des chercheurs des observatoires de Paris et de la Côte d'Azur, ainsi que du centre scientifique de Monaco, ont posé une nouvelle contrainte sur la masse du graviton (1) en utilisant un modèle très précis des orbites des planètes du système solaire.

Contrairement aux cas des gravitations de Newton et d'Einstein, si le champ de gravitation était massif, il ne posséderait pas une portée infinie, mais serait au contraire dépeint par une portée caractéristique appelée longueur de Compton.

Cette longueur caractéristique peut, par exemple, conduire à une modification de la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles en fonction de leurs fréquences. Ainsi, en étudiant le spectre des ondes gravitationnelles provenant de la coalescence de binaire de trous noirs, la collaboration LIGO-Virgo avait déjà pu contraindre la masse du champ gravitationnel à une valeur inférieure à 5.0× 10^-23 eV⁄c2 , correspondant à une longueur de Compton supérieur à 2.6× 10^13 mètres.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur une autre manifestation possible de la masse du champ de gravitation. Ils ont étudié en particulier les modifications au niveau des mouvements orbitaux des planètes du système solaire, qui seraient impactés par la portée finie du champ dans le cadre d'une théorie de gravitation massive.

Pour ce faire, ils ont utilisé l'éphéméride planétaire INPOP (Intégrateur Numérique Planétaire de l'Observatoire de Paris), développée aux observatoires de Paris et de la Côte d'Azur, pour ajuster le modèle planétaire du système solaire aux observations les plus précises actuellement disponibles, en prenant en compte l'éventualité d'une portée finie de la gravitation. Ainsi, ils ont pu contraindre la longueur de Compton associée à la gravitation à être supérieure à 1.83× 10^13 km - soit près de 87 fois la distance Terre-Soleil - ce qui correspondrait à une masse inférieur à 6.76× 10^-23 eV⁄c2 - c'est-à-dire inférieur à environ 10^-55 grammes.

L'apparente similitude entre les résultats de cette nouvelle étude et celle menée par la collaboration LIGO-Virgo est purement fortuite cependant. Non-seulement les deux études se penchent sur différents aspects de la phénoménologie gravitationnelle (radiative versus orbitale), mais utilisent aussi des données de natures entièrement différentes (ondes gravitationnelles versus astrométrie planétaire radio et optique dans le système solaire). Les deux types d'étude sont donc complémentaires afin d'éprouver l'existence potentielle d'une masse associée au champ de gravitation.

Note:
(1) Parler de "graviton" - particule hypothétique associée à la gravitation quantique est un abus de langage commode qui découle de la dualité onde-corpuscule manifeste pour les forces fondamentales. L'existence ou non de particules associées aux ondes n'est en fait guère nécessaire pour définir la masse d'un champ, et plus particulièrement la masse du champ gravitationnel. Plusieurs définitions possibles de la masse d'un champ gravitationnel existent, indépendamment de son éventuelle nature corpusculaire. Les auteurs se sont penchés sur une définition particulière qui identifie une hypothétique portée finie de la gravitation à une masse.

Références de publication:
- Constraining the Mass of the Graviton with the Planetary Ephemeris INPOP, L. Bernus, O. Minazzoli, A. Fienga, M.Gastineau, J. Laskar, and P. Deram Phys. Rev. Lett. 123, 161103
- Highlighted in APS: Philip Ball, Limits on the Graviton from Planetary Orbits