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La gravité

Le problème de la gravité

   Catégorie : galaxies
Mise à jour 01 juin 2013

En 1665 un homme était assis sous un arbre quand tout à coup il vit une pomme tomber juste devant lui. Avec la chute de cette pomme légendaire, Isaac Newton révolutionna toute l'image de l'Univers. Dans une hypothèse audacieuse pour son temps, il affirme que la force qui attire la pomme vers le sol est la même que celle qui maintient la Lune autour de la Terre.
En 1687 il parvient à exprimer sa théorie sous la forme d'une équation mathématique. La force est égale à la somme des masses des 2 objets, divisée par le carré de la distance qui les sépare, auxquelles il faut intégrer la constante gravitationnelle qui détermine la force générale de la gravitation.
Même si la théorie de Newton nous a permis d'aller sur la Lune, cette théorie n'est pas tout à fait juste. Lors du programme Apollo les astronomes ont laissé sur la Lune des miroirs qui reflètent tous rayons de lumière pointés dessus. Ces miroirs ont permis de mesurer la distance Terre-Lune avec une très grande précision, de l'ordre du cm. Même si ça reste une expérience très compliquée la précision est de 1 à 3 cm sur 400 000 km. Ces résultats montrent que l'orbite de la Lune est différente de celle prédite par Newton. Avec la loi de Newton la distance calculée de la Lune est fausse d'une dizaine de mètres.
Newton a fourni une équation pour calculer la gravité mais n'a aucune idée de la façon dont elle fonctionne.
Dans l'univers de Newton l'espace est vide et les galaxies et les étoiles influent les unes sur les autres.

 

Dans celui d'Einstein l'espace est constitué d'un tissu quadridimensionnel, qu'il appelle "espace-temps" et ce sont les galaxies, les étoiles et les planètes qui déforment l'espace temps. Plus la masse est importante, plus on est près d'un objet et plus l'espace temps est déformé. Comme la surface d'un trampoline, ce tissu est distendu par les objets lourds que sont les planètes et les étoiles, c'est cette déformation ou courbure de l'espace temps, qui crée ce que l'on ressent comme la gravité.
Einstein appelle cette nouvelle image de la gravité, la théorie générale de la relativité. Cette image de la gravité permet de résoudre l'énigme des étranges objets cosmiques qui nous transmettent des vues multiples d’une seule et même galaxie (voir image ci-contre). Ces étranges objets sont des lentilles gravitationnelles.
Une lentille gravitationnelle ou mirage gravitationnel est un objet très massif, un amas de galaxies par exemple, qui se situe entre un observateur et une source lumineuse lointaine.
La lentille gravitationnelle imprime une forte courbure à l'espace-temps, qui a pour effet de dévier tous les rayons lumineux qui passent près d'elle, déformant ainsi les images reçues par l'observateur. Cette amplification de la luminosité d’un objet céleste lointain par un astre massif situé devant, a été prédit en 1917 grâce à la théorie de la relativité générale.
Les objets massifs modifient bien la géométrie de l'espace et du temps, dans leur voisinage.

 la gravité

Image : Une lentille gravitationnelle ou mirage gravitationnel est un objet très massif, un amas de galaxies par exemple, qui se situe entre un observateur et une source lumineuse lointaine. La lentille gravitationnelle imprime une forte courbure à l'espace-temps, qui a pour effet de dévier tous les rayons lumineux qui passent près d'elle, déformant ainsi les images reçues par l'observateur.
« La théorie de la relativité générale est une théorie de la gravitation et tout comme la théorie newtonienne de la gravitation qu’elle affine et étend, son habitat naturel est l’astronomie ». Subrahmanyan Chandrasekhar (prix Nobel de physique 1983).

Les secrets de la gravité

    

Einstein avait prédit que, plus la gravité est forte, plus le temps se déroule lentement et plus la gravité est faible, plus le temps passe vite.
On sait aussi que le temps et l'espace sont intimement liés. Plus on s'éloigne de la Terre, plus la gravité est faible, la gravité est donc différente dans l'espace de celle que l'on ressent à la surface de la Terre. La gravité déforme aussi le temps, dans l'espace le temps passe un peu plus vite que sur Terre.
Le fonctionnement du GPS décrit très exactement cette courbure de l'espace-temps. Pour que le GPS fonctionne correctement, les horloges des 31 satellites GPS, doivent être parfaitement synchrones avec le temps sur Terre. A 20 200 km d'altitude, si les horloges de ces satellites ne sont pas synchronisées, les valeurs données par le GPS dérivent de 10 à 12 km par jour. Une correction du temps est donc faite pour adapter le GPS aux effets de la gravitation. Mais dans le cosmos, là où gravitent les objets massifs de l'univers, l'espace et le temps se contractent encore plus sous l'effet des gigantesques forces gravitationnelles. 
Un pulsar est un cadavre d'étoile, une naine extrêmement dense de 10 km de diamètre, qui tourne sur elle-même jusqu'à 1000 fois par seconde.

 

Dans certaines régions il y a des pulsars doubles qui orbitent l'un autour de l'autre de 5 à 1000 rotations par secondes.
D'après Einstein, ces phénomènes cosmiques violents créent des ondes gravitationnelles qui étirent et contractent l'espace et le temps, provoquant des distorsions physiques de notre réalité. Ce phénomène cosmique décrit par Einstein en 1918 à partir de sa théorie de la relativité générale, n'a toujours pas été observé.
Mais comment la gravité fonctionne-t-elle à l'échelle des objets de l'infiniment petit ?
Einstein n'a pas réussit à l'expliquer. Sa théorie ne fonctionne pas aux distances très petites du monde des particules subatomiques.
Depuis, les théoriciens de l'infiniment petit cherchent à comprendre le fonctionnement de la gravité en tentant de recréer le Big Bang dans les accélérateurs de particules. Les physiciens des particules cherchent, grâce au collisionneur LHC, cet hypothétique graviton. Cette quête ne sera pas facile car on touche là, aux dimensions invisibles de notre réalité.

nota : Le rayonnement gravitationnel a une longueur d'onde gravitationnelle de l'ordre de 8 milliards de km soit ≈50 U.A.

 Tunnel du LHC

Image : Le LHC construit dans un tunnel de 3 mètres de diamètre et de 26,659 km de circonférence, devrait révolutionner notre compréhension de l'univers, de l’infiniment petit à l’infiniment grand.

La force gravitationnelle a été découverte au XVII siècle (1687) par Newton, cette force attractive agit sur toutes masses.
La gravité est la plus faible des quatre forces de la nature, mais aussi celle qui a la plus grande portée, elle agit sur l'ensemble de l'univers, elle est la colle du cosmos.
L'intensité ce cette force dépend de la masse de l'objet. Ce n'est qu'à l'échelle astronomique que la gravité se fait vraiment sentir, dans d'énormes masses comme celle de la Terre (6x1027 grammes), du Soleil (1033 grammes), d'une galaxie (1044 grammes), d'un amas de galaxies (1047 grammes) ou de l'univers tout entier.

En 1686 Newton parvient à exprimer sa théorie sous la forme d'une équation mathématique (FA/B = FB/A = G (MAMB/d2).
A et B sont deux corps massifs, MAet MB (masse en kg des corps), la constante gravitaionnelle G=6.67384 x 10-11 N.m2.kg-2 Il est plus juste de dire "théorie générale de la relativité" que "théorie de la relativité générale", c'est la théorie qui est générale et non la relativité. La théorie générale étend la théorie restreinte de la relativité, à la gravitation.
Pour les puristes, la théorie générale de la relativité est une théorie relativiste de la gravitation élaborée entre 1907 et 1915 principalement par Albert Einstein. Marcel Grossmann et David Hilbert sont également associés à cette réalisation pour avoir aidé Einstein à franchir les difficultés mathématiques de la théorie. La théorie générale de la relativité énonce que la gravitation est la manifestation de la courbure de l'espace-temps, produite par la distribution de la matière et de l'énergie. La mesure de la courbure moyenne de l'espace-temps est égale à la mesure de la densité d'énergie (Gij = χ Tij) Gij est le tenseur d'Einstein qui représente la courbure de l'espace-temps en un point, Tij est le tenseur énergie-impulsion qui représente la contribution de toute la matière et énergie à la densité d'énergie en ce point du champ gravitationnel. χ est un simple facteur dimensionnel, permettant d'exprimer l'équation dans les unités usuelles et de faire correspondre l'équation à la réalité physique et à la valeur observée de la constante gravitationnelle.

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