Mes livres : Atomes
et matière,
ISBN 978-2919314-027, 360 pages, 34 € Mécanique
céleste et Cosmologie, ISBN 978-2919314-003, 158 pages, 18 € Atoms and matter ISBN 978-2919314-034, 338 pages 34 € Expédiés
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l'Ormeau de Pied – 17115 Saintes Cedex tél. : 05 46 93 08 12
Les ondes
gravitationnelles
Dans le cadre des vérifications de la
théorie de la relativité citons également les tentatives de détection expérimentale
ou de mise en évidence des ondes gravitationnelles.
La première méthode est caractérisée par la
construction d’ensembles ultra sensibles[1],
permettant, selon leurs auteurs, de détecter ces ondes. Nous n’insisterons pas
ici sur le fait que pour construire un récepteur quelconque, il faut au
préalable, et comme conditions minima, avoir une certitude théorique de
l’existence de ces ondes, avoir une idée de ce qu’elles sont, dans quel domaine
de fréquence elles se situent et quels effets elles peuvent provoquer dans le
récepteur[2].
Il est évident que les auteurs de ces expériences ne savent rien de ces ondes
mais les chercher ne constitue-t-il pas le meilleur moyen d’en apprendre
quelque chose ? Bien qu’il est généralement stérile de chercher quand on
ne sait même pas à quoi ressemble ce que l’on cherche.
Pour mettre les ondes gravitationnelles en
évidence, on peut également observer les effets qu’elles pourraient provoquer.
Il est évident que c’est dans le domaine astronomique que ces effets seraient
le plus visibles et c’est ce qu’ont tenté de faire Joseph Taylor et Russell
Hulse, deux Américains, qui se sont vus récompensés par le Nobel de physique en
1993 pour l’étude du mouvement du Pulsar binaire PSR 1913+16.
L’étude de Taylor et Hulse mérite qu’on s’y
attarde un peu.
Le pulsar PSR 1913+16 est un système composé
de 2 astres en interaction gravitationnelle. Peu importe que l’un ou les deux
astres se conduisent comme des phares qui émettent des flashs plutôt qu’une
lumière continue, (en fait ils rayonnent dans le domaine radio, mais cela ne
change rien pour notre propos.) Ce qui intéressait les chercheurs, c’est leur période de rotation orbitale. En
effet, l’observation a montré que les flashs n’étaient pas espacés
d’intervalles réguliers mais que la durée de ces intervalles augmentait et
diminuait alternativement avec une périodicité d’environ 8 heures. Ce qui ne
pouvait s’expliquer que si le signal observé provenait d’un astre qui se
rapprochait et d’éloignait de nous au rythme de ces variations. Des mesures
très précises ont montré qu’ils tournaient tous les deux autour du centre de
gravité du système sur des orbites de quelques centaines de milliers de km. De
leur période orbitale, les lois de Kepler et de Newton permettent de calculer
leurs masses. Pour une orbite de 200 000 km de rayon, l’astre principal
aurait une masse d’environ 80 masses solaires et pour 300 000 km une masse
d’environ 300 fois la masse de notre soleil. Pour que l’astre satellite puisse
graviter sur une orbite aussi petite, équivalente à celle de la lune, il faut
que l’astre central ait un rayon très petit et une densité extrêmement élevée.
Si on le suppose de la taille de Jupiter, soit un diamètre d’environ 140 000
km, 1/10 du diamètre du soleil, sa densité serait de l’ordre de 200 000 fois
celle du soleil soit environ 300 000 fois celle de l’eau. Il se peut aussi que
le diamètre de cet astre soit de l’ordre de quelque dizaine de kilomètres
seulement, ce qui en ferait ce que les astrophysiciens nomment une étoile
à neutrons.
Avec un diamètre de 14 km il aurait une
densité d’environ 1017 fois celle de l’eau alors que la densité des
nucléons est estimée être de l’ordre de 1018 fois la densité de
l’eau.
Fort de ces estimations, les astrophysiciens
se sont persuadés qu’ils se trouvaient face à des phénomènes qui leur
permettaient de vérifier les lois de la relativité générale :
« Or dans les pulsars binaires, les champs de gravité
peuvent être plus de dix mille fois
supérieurs à ce qu’ils sont dans notre système solaire. On dispose donc d’un
moyen de choix pour tester la relativité générale dans le domaine des champs
forts, domaine où les ondes gravitationnelles, notamment, devraient faire
sentir leurs effets. En particulier, le rayonnement de telles ondes par le
pulsar devrait se traduire, perte d’énergie oblige, par un resserrement de son
orbite »[3]
Ce commentaire de Mashaal, à l’occasion de
la récompense de Taylor et Hulse, contient plusieurs affirmations qu’il nous
faut vérifier.
Le champ
de gravité est différent autour d’un astre dense qu’autour d’un astre
ordinaire.
Les
ondes gravitationnelles existent.
Le
rayonnement de ces ondes emporte de l’énergie.
Étudions
ces points un à un :
Le champ de gravité.
Supposons que le soleil soit une étoile à
neutrons ou un trou noir de masse égale à celle qu’il a actuellement. La loi de
la gravitation de Newton ne tient pas compte de la densité de l’astre central,
la loi d’Einstein qui corrige celle de Newton et prétend expliquer le mouvement du périhélie des planètes
n’en tient également pas compte, le mouvement des planètes ne serait donc pas
affecté par cette caractéristique du soleil.
Il est vrai que selon la théorie de la relativité générale, la
fréquence de pulsation des atomes est inversement proportionnelle à la force du
champ de gravité selon la formule d’Einstein : j=-KM/r, formule dans laquelle K
est la constante de la gravitation, M la masse de l’astre et r, la distance à
son centre. Nous montrons (voir Les
vérifications de la théorie de la relativité) que cette hypothèse
d’Einstein n’est pas fondée sur une étude concrète du mécanisme des atomes et
que rien, ni un fait observationnel ni même une conséquence mathématique de sa
théorie lui permettait d’arriver à cette conclusion. De plus, rien dans la
théorie d’Einstein ne permet également de faire un rapport entre le mode de
fonctionnement des atomes et la force d’attraction qu’ils générent. Bien au
contraire, en affirmant que le champ de gravitation était une conséquence des
propriétés de l’espace-temps, Einstein nie toute relation entre la structure de
la matière et sa force d’attraction.
Les
ondes gravitationnelles
La
force de gravitation est générée par les atomes de la matière. Les atomes
pulsent selon le mécanisme que nous avons décrit au chapitre I de notre ouvrage
Structure et mécanique de l'atome.
Rappelons que cette pulsation est
essentiellement caractérisée par un mouvement de contraction sphérique accéléré
et un mouvement de retour linéaire (non accéléré) vers le volume initial. La
forme de ce mouvement de pulsation se déduit de l’interaction coulombienne des
particules constituantes de l’atome et résulte d’équations basées sur les lois
de l’électrodynamique classique.
Le fait que le mouvement de contraction sphérique est un
mouvement accéléré provoque autour de l’atome une dépression, une courbure
de l’espace, un vide que les atomes environnants essaient de combler.
C’est ce qui génère la force de gravitation.
Insistons sur le fait qu’à aucun moment, il
n’a été nécessaire d’introduire dans ces calculs une hypothèse ad hoc quelconque
pour aboutir à ce résultat. Ainsi, la force de gravitation n’est pas due à
l’émission d’une particule ou d’une onde comme la Mécanique
Quantique ou les tenants de la théorie relativiste le suggèrent. Les atomes
n’émettent rien qui se propage dans l’espace pour générer cette force. La force
de gravitation, telle qu’elle découle de ce qui précède, correspond très bien,
mais pour d’autres raisons, à la théorie d’Einstein qui voyait en cette force
la manifestation d’un effet géométrique, une courbure de l’espace[4].
Selon lui et la relativité générale, les masses courbent l’espace et les corps
ne peuvent que tomber dans les puits gravitationnels ainsi créés.
La
courbure de l'espace est provoquée par l'ensemble des atomes
en pulsation. Le champ de gravitation est ainsi un champ différent du champ
électromagnétique qui se caractérise par la propagation de fronts d'onde
constitués de la substance des électrons émetteurs. Le champ de gravitation
n'est pas constitué d'une substance quelconque se propageant dans l'espace. Il
est omniprésent dans l'espace autour de tout corps massif. La critique que l'on
a pu faire à la force d'attraction de Newton se propageant à vitesse infinie
n'est pas fondée. Le problème de la vitesse de propagation de la force de
gravitation n'a pas de sens. A moins de supposer que l'apparition ou la
disparition de la matière en un lieu donné puisse se faire de façon
instantanée, que la matière puisse être créée ex nihilo ou
disparaître par sublimation immatérielle
Dans tous les autres cas, l'approche du corps attirant ou du corps
attiré se faisant à faible vitesse, la force d'attraction est inversement
proportionnelle au carré de la distance et se fait donc toujours sentir même
lorsque cette distance est infinie puisque chaque atome de la matière de ces
corps pulse et génère la dépression attractive.
Rappelons aussi, à l’attention de ceux[5]
qui s’émerveillent de constater que la loi des forces gravitationnelle et
électromagnétique sont toutes deux inversement proportionnelles au carré de la
distance (lois en 1/r²), que ce fait est tout à fait normal car l’intensité
d’une force, générée par un corps central, se repartit sur la surface de la
sphère de rayon r centrée sur le corps principal et qu’il est évident que la
surface de cette sphère est proportionnelle au carré de son rayon.
L’énergie gravitationnelle.
On vient de voir que le champ de gravitation
n’est pas dû à l’émission d’une onde comme dans le cas du champ
électromagnétique. Il semble donc peu probable que les corps matériels, qui
générent tous une force d’attraction, perdent quoi que ce soit. Mais si l’on
envisage ce phénomène comme plausible, il est bon d’en étudier les conséquences
éventuelles.
L’énergie que devraient emporter les ondes
gravitationnelles est indépendante de la densité des astres en présence et du
fait que ces ondes soient ou non détectées. Ainsi, tous les corps devraient
perdre de l’énergie gravitationnelle, aussi bien vous que moi, la pomme de
Newton, la lune ou n’importe quel objet existant. De même, un astre isolé
autour duquel ne gravite aucun corps devrait également en perdre car il est
évident que son champ de gravitation s’étend à l’infini et que, quel que soit
son environnement immédiat, il reste en interaction gravitationnelle avec un
objet lointain, une galaxie quelconque et, en tous cas, avec le reste de
l’Univers.
Quelle forme peut donc prendre cette énergie et quelles peuvent
être ses effets sur la matière environnante ?
En physique, la dégradation ultime de toutes
les formes d’énergie se traduit par de la chaleur. Si l’énergie
gravitationnelle est une énergie comme les autres, son effet final doit
également contribuer à produire de la
chaleur. Or, il est évident que pour produire de la chaleur, cette énergie
devrait avoir les mêmes caractéristiques que l’énergie électromagnétique à
moins d’invoquer une autre forme de chaleur (pourquoi pas, les physiciens
actuels n’en sont pas à ce genre de détails près). Elle devrait donc se
présenter sous forme de rayonnement d’une certaine fréquence qu’il serait
possible de détecter. En tout état de cause, ce rayonnement ne devrait pas
avoir une fréquence plus élevée que celles des atomes de la matière. Par
ailleurs, comme les atomes des différents éléments ont des fréquences (de rayonnement
électromagnétique) différentes, ce qui permet justement de les différencier par
spectroscopie, il faudrait supposer que les fréquences du rayonnement
gravitationnel soient également différentes d’un élément chimique à
l’autre. Ce qui ne semble pas être le cas, car un même poids d’atome génère les
mêmes effets dans les mêmes conditions physiques. (Il est vrai que nous
supposons qu’un même poids de matière d’un élément chimique quelconque contient
le même nombre de nucléons qu’un autre quelconque élément chimique. Ce qui
n’est pas absolument certain, il faudrait, pour s’en assurer être à même de
compter individuellement tous les atomes que ces deux masses contiennent.)
D’autre part, nous savons que le champ de
gravitation est différent du champ électromagnétique mais comme tous les corps
émettent un rayonnement fonction de leur température, le rayonnement
thermique, qui lui a bien les caractéristique d’un rayonnement
électromagnétique, nous pourrions envisager de considérer que le rayonnement
thermique et le rayonnement gravitationnel n’en font qu’un. Hélas, la force
gravitationnelle d’un corps n’est pas fonction de sa température et cette idée
est à rejeter.
On peut aussi imaginer une onde
gravitationnelle d’une nature exotique, fruit d’un processus autre que celui
qui génère le rayonnement électromagnétique et constitué d’une substance autre
que celle des électrons qui donne au rayonnement ses propriétés
électromagnétiques. Pourquoi pas ?
Mais laissons cette tache aux physiciens
actuels qui ne sont plus à une spéculation de ce genre près.
Quant
à nous, nous nous contenterons de penser que la force de gravitation est une
simple conséquence du mouvement de
pulsation de l’atome due à l’interaction électromagnétique de ses constituants.
Ce qui nous permet de rendre compte de cette force et du champ gravitationnel
sans avoir besoin d’imaginer les gravitons, les ondes gravitationnelles, la
perte d’énergie, les constantes de couplage… indispensables dans le cadre des
spéculations actuelles.
Le pulsar PSR1913+16 et les travaux de Taylor et Hulse.
Revenons au pulsar PSR1913+16. L’étude de la
période de rotation du système binaire a montré que cette période diminuait de
0,07 millionièmes de seconde à chaque tour d’orbite. Hourra ! Nous
observons un effet dû à la théorie de la relativité se sont empressés de clamer
Taylor et Hulse à la communauté scientifique ébahie. Thibault Damour et
Nathalie Deruelle leur emboîterons le pas. Mais commençons par le commencement.
Pour expliquer cette variation de la durée
d’une révolution orbitale et comment ces mesures valident la prédiction sur la
réalité des ondes gravitationnelles, les physiciens ont formulé deux
hypothèses :
« La
première, la plus classique, consiste à dire que l’attraction exercée par les objets
massifs se traduit par l’envoi d’ondes gravitationnelles à la manière des
vagues sur une mer calme et volent ainsi de l’énergie aux corps qui les
émettent. Cette perte énergétique freine le mouvement de rotation orbital et
finit par faire se rapprocher les étoiles l’une de l’autre (où l’on retrouve la
diminution de 0,07 millionième de seconde mesurée.)
La seconde interprétation est plus juste,
plus significative et rappelle en quoi la relativité a véritablement constitué
une révolution conceptuelle. En effet, dans l’explication newtonienne, l’action
de la force de gravitation s’exerce de manière universelle et instantanée. Avec
l’avènement de la relativité restreinte en 1905, la vitesse maximum dans
l’Univers ne peut dépasser celle de la lumière (300 000 km/s). La simultanéité
devient donc impossible puisque la force d’attraction possède une vitesse de
propagation finie. Quelles conséquences physiques ou quelles prédictions
peut-on tirer de ce nouveau cadre théorique ?
Les corps se déplaçant les uns par rapport
aux autres, lorsque l’un d’entre eux reçoit une onde gravitationnelle,
l’émetteur n’est plus à l’endroit d’où il l’a émise… »[6]
Étrange physique où les mêmes causes ne
provoquent pas les mêmes effets.
En effet, si la période orbitale diminue, la
vitesse orbitale doit augmenter et non diminuer (conséquence de la loi des
aires de Kepler). Si la perte d’énergie gravitationnelle freine le mouvement de
l’astre, la distance doit augmenter et non rapprocher les étoiles l’une de
l’autre. Nous savons que, sous l’effet des frottements des marées océaniques,
la lune s’éloigne continuellement de la terre et les études géologiques,
paléontologiques et astronomiques montrent que la durée de sa rotation orbitale
augmente en accord avec sa distance à la terre.
En ce qui concerne la deuxième
interprétation, nous avons déjà réfuté l’argument de la propagation instantanée
de la force de gravitation de Newton (voir ci-dessus). Reste la dernière
proposition de cette citation : « …lorsque l’un d’entre eux reçoit
une onde… ». Les ondes gravitationnelles, si ondes il y a, ne sont
pas émises par a-coups, les corps les émettraient en permanence, chaque corps
baignant en permanence dans le bain du champ gravitationnel de l’autre et le
fait que ces corps se déplacent ne provoque aucune effet comme l’affirme
Robredo :
« Géométriquement, il
se forme donc un angle entre la direction d’arrivée de l’onde et la droite qui relie les deux corps. Cet
angle, ou encore le décalage spatio-temporel, implique le présence dans l’interaction
gravitationnelle d’une composante opposée à la vitesse… »
Il est toujours facile d’invoquer un effet
dû à la relativité. Si vous ne comprenez pas, c’est normal, n’en soyez pas vexé,
très peu de gens ont des facultés suffisantes pour comprendre cette théorie.
Vous n’êtes donc pas plus bête que les autres. Faites donc semblant
d’avoir compris plutôt que de passer pour un …non-comprenant. En tout cas, l’auteur lui, fait comme si. Demandez-lui
comment ce décalage spatio-temporel provoque une composante opposée à la
vitesse, il vous répondra, avec une docte assurance qu’il s’agit d’un effet…
prévu par Einstein.
Et ce n’est pas la suite de cette
explication qui nous éclairera davantage :
« … Cette dernière est
du même type que la force de frottement qui s’oppose au déplacement d’une bille
que l’on fait rouler sur une surface gondolée. »
Peut-être que de
jouer aux billes nous permettrait de mieux comprendre…
Damour et Deruelle n’ont
peut-être pas jouer aux billes, mais leurs savants calculs ont permis à Robredo
de conclure :
« C’est cette force de
frottement qui, au niveau du formalisme mathématique, explique le rapprochement
entre les corps et donc la diminution de la période orbitale … La contribution
de Damour et Deruelle a permis (en développant les équations d’Einstein
jusqu’au cinquième ordre) le premier calcul satisfaisant et complet de la
valeur de cette force de frottement, clé de voûte de l’explication… »
Puisqu’on vous le
dit !
Et si il y avait une autre explication ?
Le pulsar PSR
1913+16 se trouve quelque part dans le Sagittaire, pas loin du Centre de la
Galaxie à environ 27 000 années lumière de nous. Il fait donc partie de la
Galaxie et est en mouvement sur une orbite circulaire autour du centre de notre
Voie Lactée.
Si la période
orbitale vue de la terre diminue, cela veut dire que nous voyons le système
dans la même position à des intervalles de temps de plus en plus rapprochés. Ce
qui peut également signifier que ce système se rapproche de nous et que la
lumière que nous percevons à de moins en moins de chemin à parcourir.
Le fait que les
signaux émis par ce pulsar sont, comme son nom l’indique, des pulses[7]
et non un signal continu, nous permet justement de détecter ces variations
temporelles. Mais l’étude par effet Doppler-Fizeau devrait également montrer un
bleuissement, un blueshift du signal reçu. Il est vrai que
dans le domaine des longueurs d’onde radio, ce décalage vers le bleu n’est pas
aisé à mettre en évidence d’autant plus que la vitesse radiale relative
semble être très faible, de l’ordre du millimètre par seconde si l’on se base
sur les mesures actuelles[8].
Ainsi, ce pulsar
aurait un mouvement relativement à nous et même si son mouvement orbital propre
est de l’ordre de plusieurs centaine de kilomètres par seconde, son mouvement
radial, dans notre ligne de visée peut être très faible. Il se peut que ce soit
une coïncidence et que la vitesse de ce pulsar est strictement égale, dans
cette direction à celle du système solaire. Nous ne perdons pas de vue que nous
nous promenons aussi à la vitesse d’environ 240 km par seconde autour du centre
de la Galaxie.
En tout état de
cause, une vitesse radiale aussi faible doit néanmoins être prise en compte
puisque, comme on le voit, elle pourrait suffire à générer un effet visible.
Remarquons que prendre en compte cette vitesse, pour faible qu’elle soit, est
moins aberrant que de la négliger comme l’on fait Taylor, Hulse, Damour,
Daruelle et les autres. Ne pas la prendre en compte n’est-ce pas considérer, du
moins implicitement, que la distance entre ce système et nous est absolument
immuable, que ces objets, notre Galaxie et le PSR 1913+16, sont totalement
au repos relatif ?
Comment peut-on
considérer le signal provenant d’un astre sans s’inquiéter de son mouvement
relatif ? On peut s’étonner que des physiciens oublient ce genre de détail
avant d’enfourcher leurs dadas favoris.
Vos commentaires m’intéressent.
Que vous soyez ou non d’accord avec ces textes, faites le moi savoir. Je serais
heureux d’en débattre avec vous. Vous pouvez me joindre : ebraw@wanadoo.fr
