Le Livre d'Argent

Comme on l'a vu #Vulgadredi-dernier, la théorie de la relativité générale, formulée en 1915, a eu la chance d'avoir assez rapidement des preuves expérimentales grâce à l'éclipse totale de 1919. Puis elle est globalement passée au second plan pendant pas loin de quarante ans.

En ce nouveau #VendrediVulga, nous allons donc suivre un peu la façon dont les choses ont évolué sur cette deuxième période, car, si Einstein n'est pas le seul à avoir bossé sur le sujet dès le départ, pas mal d'autres personnes sont venues apporter leur pierre à l'édifice ensuite. Consacrons-y donc seize pouets !

2/16 D'abord, comme souvent quand je fais ces threads en série, un petit résumé. La théorie de la relativité restreinte, en 1905, résolvait les conflits apparus entre les travaux de Newton et ceux de Maxwell, en posant la vitesse de la lumière comme une vitesse limite indépassable, ce qui changeait déjà pas mal de choses, on en a parlé il y a deux semaines.

Mais ça créait un nouveau souci, car la vieille loi de la gravité de Newton supposait que celle-ci était instantanée, donc plus rapide que la lumière. C'est pour résoudre ce problème qu'Einstein, en 1915, a proposé de redéfinir la gravité comme étant une déformation de l'espace-temps.

Pour plus de détails à ce sujet, comme d'habitude, le thread de la semaine dernière est dispo : https://fadrienn.irlnc.org/notice/BCB8a2FiKKVtC39fJQ

3/16 Au passage, on en a déjà parlé, mais ces nouvelles équations entraînent une conséquence intrigante : elles semblent indiquer que l'univers serait en expansion. Einstein tentera d'introduire un paramètre de plus pour « corriger » ce souci, ce qu'il considérera par la suite comme la pire erreur de sa carrière.

Edwin Hubble, de son côté, mettra cette expansion en évidence par ses observations dès 1929, ce qui montre quand même que tout ne s'est pas complètement arrêté pendant ces quarante ans, même si les travaux, on l'a vu la dernière fois, étaient moins nombreux.

Mais donc, pour des infos sur l'expansion de l'univers, je vous renvoie à ce thread : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B0FBBndEMU321GJpGC

4/16 Comme vu dans le thread sur l'expansion, c'est en 1949 qu'apparaît l'expression « big bang », d'abord utilisée péjorativement pour désigner la conséquence logique de cette découverte : le début de cette expansion. Dans les années qui suivirent, la relativité générale commencera à revenir sur le devant de la scène, à ma connaissance sans lien avec l'invention de cette expression.

Mais si quelques papiers importants paraissent au cours des années 1950, c'est surtout les deux décennies suivantes que l'on baptise « l'âge d'or de la relativité générale ». Il faut dire qu'avec tout ce temps passé, une nouvelle génération de scientifiques étaient là pour reprendre le flambeau.

5/16 Pour autant, il ne faut pas croire que ces nouvelles équipes n'ont connu que des succès. Par exemple, dès 1960, le physicien américain Joseph Weber (qui était âgé de douze jours lors de l'éclipse de 1919) mis au point un dispositif, qu'on appelle depuis « Barre de Weber », dédié à la détection d'ondes gravitationnelles.

Ces ondes, prédites dès 1916 par Albert Einstein (quoique lui-même ait visiblement eu pas mal d'hésitations à ce sujet), sont des oscillations dans la courbure de l'espace-temps, un peu à la façon dont lancer un caillou dans l'eau provoque une onde à la surface de celle-ci. À ceci près qu'il faut, bien sûr, un peu plus qu'un petit caillou pour provoquer ça.

6/16 Ces ondes sont produites par les interactions entre des objets particulièrement massifs, par exemple deux trous noirs stellaires sur le point de fusionner, et elles se propagent à la vitesse de la lumière, causant de minuscules déformations de l'espace autour d'elles.

Dans les années qui suivirent l'invention du dispositif, Weber considérera avoir détecté de telles ondes… mais toutes les tentatives de reproduction de son expérience furent négatives. Il faudra en fait du matériel nettement plus précis pour une réelle première détection… le 14 septembre 2015, soit pas mal plus tard.

@flashcordon a d'ailleurs consacré une très chouette vidéo à ce sujet, et comme elle n'est à ma connaissance pas dispo ailleurs, je vais exceptionnellement vous mettre un lien YouTube : https://inv.nadeko.net/watch?v=vMipq5Y6PuU

7/16 La plupart des (réels) progrès datant des années 1960, en tout cas au niveau théorique, sont des avancées mathématiques qui dépassent assez mon niveau, donc j'aurais du mal à vous donner beaucoup de précisions. Des histoires de tenseurs, pour les gens qui connaissent.

Mais il faut dire que ce n'est pas seulement mon niveau en maths qui est insuffisant : il s'agit d'équations non-linéaires, et dans pas mal de cas, il n'est possible de déterminer de solutions exactes, nécessitant de déterminer des approximations.

Les personnes intéressées et ayant un bagage en maths suffisant peuvent toujours aller faire un tour par là : https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quation_d'Einstein

8/16 Mais on a aussi, dans le même temps, quelques observations assez intéressantes. L'observation et la théorie sont après tout deux aspects essentiels de l'activité de recherche, chacune des deux pouvant nourrir l'autre (on cherche à expliquer par la théorie les étrangetés déjà observées, et les progrès théoriques permettent de savoir quoi et comment chercher par l'observation).

Ainsi, en 1963, on observe 3C 273, un quasar, c'est-à-dire un objet dont la nature exacte ne sera comprise qu'au cours des années 1980. L'observation est néanmoins très intéressante dès l'époque de sa découverte, car le calcul de sa distance et de son décalage vers le rouge (dû à l'expansion, voyez le thread sus-mentionné) permettent de déterminer qu'il s'agit de l'objet émettant le plus de lumière de tout notre ciel !

9/16 Peu après, en 1965, sera observé pour la première fois Cygnus X-1, un objet émetteur de rayon X de nature encore inconnue, mais qui deviendra en 1971 (après de nouvelles observations, cette fois par le satellite Uhuru) le premier trou noir identifié, confirmant que ce type d'objets théorisé en 1916 par Karl Schwarzschild (on en a parlé la semaine dernière) existe bel et bien.

Les trous noirs, par la courbure extrême qu'ils imposent à l'espace-temps, sont des objets assez importants dans l'étude de la relativité générale. Ils seront d'ailleurs l'un des sujets d'études principaux d'un scientifique devenu lui aussi très célèbre depuis, mais qui n'était alors qu'en train de préparer sa thèse, qu'il soutiendra en 1966, un dénommé Stephen Hawking.

10/16 L'année 1965, on en a déjà parlé, est aussi celle de la découverte du fond diffus cosmologique, qui confirma l'hypothèse du « big bang ». Deux ans plus tard, en 1967, une doctorante, Jocelyn Bell, identifiera le premier pulsar, qu'on comprendra par la suite être une étoile à neutrons⁽*⁾ émettant périodiquement des radiations du fait de sa très rapide rotation.

La même année, du côté théorique cette fois, le cosmologue canadien Werner Israel montrera que trois paramètres (masse, charge électrique et moment cinétique) suffisent à décrire tous les aspects d'un trou noir, toutes les autres informations à son sujet soit pouvant en être déduites, soit disparaissant derrière l'horizon des événements.

(∗) Qui sont des objets assez impressionnants aussi, même si pas forcément autant que les trous noirs, on en avait parlé par là : https:// fadrienn.irlnc.org/notice/AxtkWaoCMXHreCwxYe

11/16 Pour exprimer simplement cette absence d'autres propriétés, John Wheeler (celui qui a semble-t-il inventé l'expression « trou noir » en 1967) déclarera en 1971 que « les trous noirs n'ont pas de poils ». Enfin, en V.O., c'était « black holes have no hair », et comme le mot « hair » en anglais désigne aussi bien les cheveux que les poils, on a donné en français à cette découverte le nom de « théorème de calvitie ».

Pour autant, même s'ils sont chauves, les trous noirs ne sont pas aussi sombres qu'on le pensait initialement : un très léger rayonnement s'en échappe. C'est en tout cas ce qu'est parvenu à montrer Stephen Hawking, d'où le fait qu'on appelle maintenant ce rayonnement le « rayonnement de Hawking ».

12/16 Le principe est ici que le vide, au niveau quantique (oui, il s'agit d'un cas où on a réussi à peu près à concilier physique quantique et relativité), n'est pas si vide que ça : des fluctuations font que des paires de particules opposées vont parfois apparaître spontanément pour s'annihiler presque aussitôt un peu plus loin.

Mais quand ce phénomène se produit juste à côté de l'horizon des évènements d'un trou noir, une de ces particules peut franchir cette limite d'où rien ne peut sortir, et l'autre, avançant légèrement plus loin, ne peut donc plus la retrouver pour disparaître avec elle. Elle est alors éjectée au loin, emportant avec elle une très faible portion de l'énergie du trou noir, qui « s'évapore » ainsi très lentement.

13/16 C'est en 1974 que Hawking publiera cette découverte. La même année parurent plusieurs papiers indépendants formulant l'hypothèse qu'une manière non-lumineuse, et donc non-encore détectée, pouvait environner les galaxies, dont la masse déterminée par leur luminosité ne semblait pas correspondre aux prévisions théoriques.

Deux ans plus tard, les observations de Vera Rubin sur la vitesse de rotation des étoiles au sein des galaxies spirales confirmèrent que, si l'on ne comptait que la matière observée jusque là, et selon les lois de la relativité générale, les galaxies auraient simplement dû exploser, les étoiles allant beaucoup trop vite pour que la masse connue des galaxies les maintienne en place.

14/16 Ce problème de masse manquante amènera à la recherche de la mystérieuse matière noire, qui est aussi quelque chose d'assez intéressant, mais qui aurait besoin d'un thread à part entière pour être convenablement expliqué. Thread que je vous ferai probablement un de ces jours, d'ailleurs, n'hésitez pas à réclamer si ça vous intéresse.

Quoiqu'il en soit, l'âge d'or de la relativité générale touchait à sa fin, et certaines difficultés théoriques que l'on commençait à rencontrer à l'époque, comme celle-ci, sont toujours d'actualité aujourd'hui. Même si, comme on l'a vu en cours de route, d'autres progrès ont bien évidemment été faits depuis.

15/16 Pour autant, c'était loin d'être la fin de notre exploration de l'univers. On en était même plutôt au début, puisque ces deux décennies correspondent aussi à celles de la course à la Lune, puis des premiers envois de sondes robotisées en direction des autres planètes de notre système.

Mais pour ces découvertes-là, à part peut-être pour partir en direction de Mercure qui est un peu trop proche du Soleil (et qu'on a très peu visitée, la sonde BepiColombo qui vient de s'y mettre en orbite au moment où je vous parle n'est que la troisième à avoir atteint la plus petite des planètes), il n'est pas nécessaire de tenir compte de la relativité, les vieilles lois de Kepler et Newton suffisent amplement.

D'ailleurs, on avait (aussi) déjà parlé de ça dans un autre thread : https://fadrienn.irlnc.org/notice/B7V0ZS1VUDRw3G3U8G

16/16 Pour avoir besoin de tenir compte de la relativité dans nos trajets spatiaux, il faudrait pouvoir atteindre des vitesses proches de celles de la lumière, ce qui, pour des objets massifs comme ceux que nous envoyons là-haut, demanderait des quantités d'énergie impossibles à atteindre en pratique. Cela aurait pourtant l'avantage, on l'a vu il y a deux semaines, de donner à un éventuel passager l'impression que le voyage, beaucoup trop long pour nous, serait pas mal raccourcis.

Hélas, il nous faudra pour l'instant surtout rester sur Terre. Mais ce n'est pas forcément plus mal, car notre planète est quand même plutôt chouette. D'ailleurs, j'ai bien envie d'y consacrer le thread de la semaine prochaine. Mais d'ici-là, merci pour vos retours et partages… et kenavo à la Bretagne, maintenant que mon plané est en travaux.