Bienvenue Arts Sciences Technologies Tutoriels Vrac  
  Astronomie Mathématique Physique Textes  
 
 

Groupe  :   Invité

les Sarto's > Bienvenue > Sciences > Univers >    - Les royaumes de la gravité absolue
 
       - Les royaumes de la gravité absolue  
    Hors série - Science & Vie - 1998-12-01      
    La gravitation est aussi une force destructrice. Prises dans ses tenailles, les vieilles étoiles se transforment en objets étonnants : naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs. Voyage au cour de ces concentrés de matière.  
    Force omniprésente, la gravitation est par excellence la force créatrice. C'est à elle que nous devons l'émergence des premières galaxies à partir de micro-craquelures dans la boule initiale du Big Bang, c'est elle qui a dessiné les vastes nébuleuses, fragmenté les nuages de gaz interstellaire et finalement, par son lent travail d'accumulation, concentré ce gaz jusqu'à l'échauffer suffisamment pour allumer les étoiles. Mais ce premier travail créateur n'est qu'une étape. L'activité souterraine de la gravité se poursuit et elle guette désormais la fin de la vie lumineuse de l'étoile pour reprendre tous ses droits et tenter de détruire ce qu'elle a si bien créé. Dès la dernière bouffée d'énergie lumineuse consommée, l'étoile est prise à nouveau dans la tenaille de l'attraction gravitationnelle qui va l'écraser comme une coquille de noix vide. De ce maelström d'attraction, surgiront des objets étonnants, des condensés d'étoiles, quintessence de matière, où des astres aussi gigantesques que le Soleil sont concentres dans un volume pas plus grand, selon les cas, que celui d'une planète. D'un astéroïde ou même plus petit encore.  
    Ces objets compacts sont les naines blanches, étoiles à neutrons et trous noirs, la fin inéluctable de chaque étoile de l'Univers. Leur importance est loin d'être négligeable. Dans notre Galaxie, on peut estimer actuellement à environ 8 milliards le nombre de naines blanches, soit près d'une étoile sur dix, auxquelles s'ajoutent près d'un milliard d'étoiles à neutrons et plusieurs centaines de millions de trous noirs. Leur seul défaut est d'être trop discrets. Sauf cas particulier, ces objets, en raison de leur Ires petite taille, n'émettent en général que très peu de lumière et la plupart d'entre eux nous restent totalement invisibles. Il est probable qu'ils constituent une traction non négligeable de la fameuse "matière noire "si activement recherchée dans notre Galaxie.  
    Concentrant une masse importante de matière dans une toute petite région de l'espace, les objets compacts sont de véritables anomalies dans l'Univers, des lieux privilégiés ou la gravitation développe tous ses excès. Jusque dans les années trente, aucun physicien n'arrivait à imaginer quelle autre force pouvait valablement s'opposer à l'oeuvre destructrice de la gravité et toutes les étoiles paraissaient condamnées à finir glorieusement comme des "trous noirs", c'est-à-dire des astres dont le champ de gravitation est devenu si intense qu'il peut retenir jusqu'à la lumière. En fait il n'en est rien dans la grande majorité des cas. Des protections successives préservent l'existence de la matière contre les effets ultimes de la gravité.  
   

La barrière des électrons

 
    La première de ces protections est la barrière thermique qui s'exerce tout au long de l'âge resplendissant des étoiles. Durant sa vie lumineuse, L'étoile peut être comparée à un ballon d'air chaud que la gravité cherche à comprimer. Tant que l'étoile reste très chaude, grâce à l'énergie dégagée par les réactions nucléaires en son centre, le ballon chaud reste gonflé. L'étoile est en équilibre grâce à cette protection thermique. Mais dès que l'étoile a épuisé son combustible nucléaire, elle se refroidit et la gravité reprend le dessus. Le ballon se dégonfle et rétrécit de plus en plus. Jusqu'à quand ? Il a fallu la découverte de la mécanique quantique pour le comprendre.  
    Dans le ballon comprimé qui se rétrécit, la matière voit sa densité augmenter considérablement. Les particules sont de plus en plus proches les unes des autres. C'est là qu'intervient la deuxième protection, la barrière des électrons. Ces particules électriques qui forment un nuage autour des noyaux d'atomes refusent obstinément de voir se réduire leur domaine vital. Au-delà d'une certaine compression, ils réagissent par de violents mouvements désordonnés produisant une formidable pression qui empêche toute contraction supplémentaire. Cette pression d'électrons dits "dégénérés", prédite par la mécanique quantique, s'exercera désormais quelle que soit la température.  
    Une étoile qui avait au départ la masse d'un soleil et sa dimension, c'est-à-dire au moins deux fois la distance Terre-Lune, est réduite alors à une taille comparable à celle de la Terre, elle est devenue une "naine blanche". La gravité a réussi à contenir toute la matière dans un volume environ un million de fois plus petit et la matière dégénérée résistera désormais définitivement à la gravité. Les naines blanches sont des mini-étoiles éternelles.  
    La gravité a-t-elle dit son dernier mot ? Pour cette étoile, oui, mais pour d'autres beaucoup plus massives que le Soleil, la situation est plus critique. De la même façon, le centre de cette étoile va épuiser son combustible et s'effondrer mais, outre l'effet de sa propre gravité, il subit également le poids énorme de ses couches les plus externes. Cette fois-ci la pression des électrons dégénérés ne suffit plus, la digue craque et l'ensemble fait un plongeon fantastique vers le centre jusqu'à ce qu'un deuxième miracle quantique vienne sauver la situation. Les électrons dépassés par les événements ont en effet fusionné dans la contraction avec des protons pour former des neutrons. Mais ce sont ces neutrons qui vont devenir à leur tour dégénérés et mettre fin victorieusement à la compression. La barrière des neutrons sauve encore une fois la matière mais, cette fois-ci, l'étoile initiale est réduite à une sphère d'environ 10 km de diamètre, à peine la taille d'un astéroïde,  
    Enfin dans des cas beaucoup plus rares, l'étoile initiale est si massive et le poids des couches extérieures si élevé que même les neutrons ne suffisent plus à retenir la gravité. En l'état actuel de la physique, aucun processus connu ne peut s'opposer à la poursuite de la contraction jusqu'au… trou noir.  
    La force d'attraction universelle d'un corps varie proportionnellement à sa masse et en raison inverse du carré de la distance nous dit la fameuse loi de Newton. Rien d'étonnant alors à ce que les étoiles compactes qui concentrent une masse élevée sous un très faible rayon soient par excellence les lieux où la gravité est la plus élevée dans notre Galaxie. Ces concentrés de gravitation produisent les phénomènes les plus étonnants.  
    Pour s'en rendre compte, nous pouvons imaginer tout d'abord un voyage vers une naine blanche proche. Nous avons l'embarras du choix, dans un rayon de moins de 20 années-lumière on n'en compte pas moins de huit et nous pouvons choisir la plus proche, Sirius-B, qui tourne autour de Sirius. l'étoile la plus brillante, à seulement 8 années-lumière du Soleil. Au bout de notre voyage, arrivés à proximité de l'étoile, en supposant que nous puissions résister à son puissant rayonnement ultraviolet, nous sommes précipités vers l'astre à vitesse vertigineuse. A environ dix mille kilomètres de la surface, nous filons à 3'700 km/s et nous commençons à sentir un étrange effet. Nos pieds, plus proches de l'étoile que notre tête, sont attirés plus fortement, la différence atteindra seulement un centième de g (la gravité terrestre) mais nous sentirons un net étirement. Ce phénomène est un effet de marée, car il est de même nature que l'attraction qu'exerce la Lune, plus forte sur les océans à la surface de la Terre que sur le centre de notre planète, créant ainsi un soulèvement des eaux et les marées qui en découlent. Si nous réussissons à réduire notre vitesse, nous parviendrons, après avoir traversé une fine couche d'atmosphère épaisse, à nous poser sur la surface cristallisée faite de matière dégénérée mais nous serons alors littéralement immobilisés par une gravité cent mille fois plus élevée que celle que nous subissons sur Terre. Notre poids atteindrait alors 7'000 tonnes et il faudrait pour nous mouvoir autant d'énergie que pour déplacer un long train de marchandises.  
   

Lorsque l'étoile a épuisé son combustible la gravite reprend le dessus. Un astre aussi massif que le Soleil se comprime à un point tel que sa taille se réduit à celle de la Terre. Il devient une "naine blanche".

 
    Si nous choisissons comme destination Geminga, la plus proche des étoiles à neutrons, à 510 années-lumière du Soleil, notre destin est encore pire. Cette fois-ci, nous n'aurons pas le loisir d'approcher la surface. A un peu moins de 2'000 km de l'étoile à la vitesse de 12'000 km/s, les effets de marée atteindront déjà près de 10 g, la limite de ce que nous pourrons supporter. Si notre chute se poursuit, notre vitesse atteindra le tiers de la vitesse de la lumière lorsque nous entrerons en contact avec la croûte solide de neutrons. Une gravité de 130 milliards de g nous réduira instantanément en un tas de quelques microns d'épaisseur. Dans un tel champ de gravitation, l'Everest lui-même serait réduit à quelques centimètres de hauteur !  
    Le même voyage vers un trou noir de la masse du Soleil serait en tout point identique mais beaucoup moins spectaculaire, du moins vu de l'extérieur. Jusqu'à 3 kilomètres du trou noir, aucune surface rie, serait rencontrée mais la vitesse atteinte serait celle de la lumière. A ce point, nous n'aurions alors plus aucun moyen de communiquer avec l'extérieur car la lumière de nos signaux émis à cette vitesse n'aura plus aucune chance de s'échapper. Nous serons définitivement engloutis dans le trou noir.  
   

Les ravins gravitationnels

 
    Les étoiles compactes sont donc de véritables "puits "de gravitation. C'est d'ailleurs la meilleure image que nous fournisse la théorie de la relativité, dans laquelle la gravitation est interprétée comme une déformation de l'espace-temps. La présence de matière crée une dépression locale de l'espace autour d'elle tout comme une bille creuse le tissu élastique sur laquelle elle est posée. Si autour d'une étoile ordinaire, cette déformation est une simple dépression, elle devient un profond cratère autour d'une naine blanche, un précipice autour des étoiles à neutrons et un puits sans fond autour des trous noirs. Si un jour, lors de voyages dans l'espace, nous sommes amenés à explorer une région importante de notre Galaxie, il deviendra indispensable d'avoir une carte très détaillée et, comme sur les routes de montagne, des panneaux indicateurs très précis pour nous signaler comment éviter ces ravins gravitationnels à hauts risques.  
    D'autres effets spectaculaires sont produits par l'intense gravité autour des étoiles compactes. Par exemple une perturbation notable du temps. Selon la théorie de la relativité en effet, le temps s'écoule d'autant plus lentement que l'on est proche d'une source de gravité. Même sur la Terre, nous vivons cette étrange expérience. Le temps file plus vite au sommet du Mont-Blanc que dans la vallée mais la différence est tellement infime, très exactement 16 microsecondes au bout d'un an, qu'elle passe bien sûr inaperçue. En revanche, à la surface d'une naine blanche, le temps sera déjà ralenti de 0,01 % par rapport à une région en dehors du champ de gravitation et l'effet sera de près de 10 % pour l'étoile à neutrons. L'année est alors rallongée de plus d'un mois. Les extrêmes sont atteints pour les trous noirs. Le temps se rallonge sans arrêt au fur et à mesure qu'on se rapproche du trou, il arrive donc un instant où cette dilatation devient si grande que le temps ne s'écoule plus. A cet instant même, nous avons franchi ce que les physiciens appellent l'horizon du trou noir. C'est une frontière à travers laquelle notre image se tige définitivement pour l'extérieur.  
    La dilatation du temps a également une conséquence très précise sur la lumière émise par les atomes, car ceux-ci sont de véritables horloges qui émettent des oscillations lumineuses périodiques. C'est d'ailleurs grâce à une oscillation d'un atome de césium qu'est défini aujourd'hui l'étalon de temps de la seconde. Lorsqu'un atome est proche d'une source de gravitation, son temps va être ralenti et du même coup la fréquence de ses signaux sera plus basse et la lumière qu'il émettra paraîtra plus rouge. Ce rougissement gravitationnel a été mesuré avec succès à la surface de la naine blanche Sirius-B dès 1925, fournissant du même coup une des premières confirmations des prédictions de la théorie de la relativité. Mais ce même décalage vers le rouge n'a encore jamais pu être vérifié précisément autour des étoiles à neutrons et trous noirs. Ce sera un des objectifs importants de deux grands satellites, l'un américain AXAF, l'autre européen XMM, deux grands observatoires spatiaux qui seront lancés respectivement en 2000 et 2001 pour étudier les sources de rayons X de l'Univers parmi lesquelles les plus puissantes sont justement les étoiles compactes.  
   

Un énorme réservoir d'énergie

 
    En effet, la gravitation en concentrant la matiè

re concentre aussi l'énergie. Chaque atome, chaque grain de matière qui rejoint ces régions d'espace à gravité élevée est tellement accéléré dans sa chute qu'il libère une phénoménale quantité d'énergie. Ainsi, un seul gramme tombant sur une naine blanche dégage une énergie équivalente à la plus grosse de nos centrales nucléaires et la même quantité captée par une étoile à neutrons produit dix fois plus d'énergie que l'ensemble du parc électrique mondial. Comme certaines de ces étoiles compactes font partie d'un système double d'étoiles, elles sont capables de capturer une grande quantité de matière de leur compagnon devenant alors des points particulièrement lumineux de l'Univers. L'énergie dégagée, parce qu'elle est concentrée sur de petites surfaces, apparaît préférentiellement sous forme de rayons de très haute énergie, les rayons X. Dans notre Galaxie, il existe plusieurs milliers de ces sources X dont les plus brillantes, au nombre d'une centaine, émettent en un jour plus d'énergie que le Soleil en 150 ans !
 
    La gravité crée ainsi avec les étoiles compactes un énorme réservoir d'énergie responsable de phénomènes souvent spectaculaires, comme des jets de matière à des vitesses proches de la lumière ou des explosions brutales, observés depuis plusieurs années par les astronomes. Mais c'est une découverte faite ces derniers mois qui vient de leur faire réaliser l'accumulation d'énergie phénoménale que représentent ces objets et solutionner du même coup une énigme de près de trente ans !  
    Tout commence en 1969, en pleine guerre froide. Des satellites américains espionnant le ciel soviétique pour détecter des explosions thermonucléaires enregistrent périodiquement des éclairs de rayons gamma, à raison d'environ un par jour, venant de l'espace de directions très différentes. Pendant près de trente ans, des générations de satellites vont chercher à localiser l'origine de ces éclairs mais sans succès car ils sont si brefs, de quelques millièmes de seconde à quelques secondes, que le temps manque pour pointer un quelconque télescope dans leur direction. Du même coup aucune chance de déterminer leur distance exacte- et les hypothèses les plus étranges se font jour. De quels orages proviennent ces éclairs cosmiques ? S'agit-il de collisions de comètes dans le Système solaire, de chute d'astéroïdes sur une étoile à neutrons ou de phénomènes encore plus exotiques dans de lointaines galaxies ? Aucun indice jusqu'à ce que les éclairs du 28 février 1997, du 8 mai 1997, puis celui du 14 décembre 1997 ne soient enfin observés par un satellite italien de rayons X, SAX, qui, pour la première fois, a le temps de déterminer une position approximative. Juste le temps également pour pointer enfin un télescope optique dans la bonne direction et découvrir un écho lumineux persistant quelques heures après le fugitif éclair. Dans les deux derniers cas, une surprise de taille attend les astronomes. L'écho lumineux provient d'une très lointaine galaxie respectivement à 6 et 11 milliards d'années-lumière de nous (soit 45 et 85 % de l'âge de l'Univers) A cette distance, il faut une explosion cent fois plus puissante que les supernovae, les plus puissantes explosions d'étoiles de notre Galaxie, pour produire un écho lumineux visible, ce qui a permis à l'astronome polonais Bogdan Paczynski de les baptiser "hypernovae". L'éclair gamma du 14 décembre 1997 est à lui seul si lumineux que durant une toute petite seconde, il a rayonné presque autant d'énergie que l'ensemble de l'Univers. La brièveté et l'énergie de ces éclairs laissent maintenant peu de doutes. Il ne petit s"agir que d'événements impliquant des étoiles compactes avec, parmi les meilleures hypothèses, celle d'une fusion de deux étoiles à neutrons, proposée dès 1992 par B. Paczynski, ou bien encore d'une étoile à neutrons et d'un trou noir. Dans les deux cas, une partie importante de l'énergie de gravitation est rejetée vers l'extérieur en une infime fraction de seconde, L'orage cosmique déclenché s'accompagne alors non seulement d'un éclair mais aussi d'un assourdissant coup de tonnerre d'ondes gravitationnelles, des vibrations de l'espace-temps qui pourraient être bientôt mesurées par des réseaux de lasers hypersensibles en construction à la surface du globe.  
    L'Univers zébré par la foudre de ces rayons gamma est donc aussi empli d'un bourdonnement incessant. Ces éclairs cosmiques fulgurants qui se produisent en moyenne une fois par million d'années dans chaque galaxie seront parmi les autres dangers qui menaceront les futurs voyageurs spatiaux. Ils marquent en quelque sorte le champ du cygne de la matière sous l'action de la gravité. La force créatrice montre son double visage avec ce sort peu enviable qui pourrait, à très long terme, attendre l'ensemble de l'Univers.  
         
    Le sommaire          La page suivante  
       
  top Science & Vie - 1998-12-01