Les théories relativistes (4/4)

Vitesses de libération

Pour qu'un objet se libère du champ gravitationnel d'une planète, il faut lui communiquer une certaine vitesse initiale, nommée vitesse de libération, dont la valeur dépend naturellement de l'intensité de ce champ gravitationnel. Ainsi la vitesse de libération qu'il est nécessaire de communiquer à un objet pour qu'il échappe définitivement à l'attraction terrestre est de 11,2 km/sec. Notons qu'il suffit en revanche à une navette spatiale de se déplacer à la vitesse de 7,9 km/sec pour se mettre en orbite autour de la Terre. Pour qu'une particule élémentaire, telle un proton, s'échappe définitivement de l'attraction solaire, sa vitesse doit ètre supérieure à 618 km/sec. Naturellement, la valeur de cette vitesse de libération augmente avec la densité de l'étoile considérée - naine blanche, naine brune, étoile à neutrons -, jusqu'à atteindre la vitesse critique, celle de la lumière (300 000 km/sec) dans le cas d'un trou noir - preuve que mème les photons ne peuvent s'en échapper. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle un tel corps, si nous pouvions l'observer, nous apparaîtrait noir ! A sa surface, le temps ne s'écoule plus. Dans les autres cas, il se trouve simplement ralenti - un ralentissement d'autant plus important que la densité du corps considéré est élevée. Ce ralentissement du temps gravitationnel à la surface d'un objet est donc proportionnel à la masse de cet objet, directement responsable de la courbure locale de l'espace-temps.

Les effets de la gravitation sur la lumière

Sans doute les particules de lumière issues d'une source lointaine, d'une étoile par exemple, sont-elles également "victimes" de la courbure locale de l'espace-temps. Sans doute se trouvent-elles déviées de leur trajectoire initiale, une trajectoire rectiligne décrite à vitesse constante, lorsqu'elles passent à proximité d'un objet massif tel le Soleil, responsable d'une déformation locale de l'espace-temps. Cette hypothèse, induite par la théorie d'Einstein, se trouva en effet confirmée en 1919, lors d'une éclipse de Soleil. Lorsque, la nuit, nous regardons en direction du ciel, il nous est facile de mesurer la distance angulaire thèta séparant deux étoiles A et B. Lors d'une éclipse de Soleil en revanche, ces deux étoiles nous apparaîtront distantes de thèta', inférieur à thèta. D'où l'illusion que l'étoile la plus proche du Soleil éclipsé se trouve, non pas en B, mais en B'. Ce résultat expérimental constitue en réalité la preuve que les faisceaux lumineux issus d'une étoile située à relative proximité angulaire du Soleil, subissent une déviation au voisinage du Soleil : leur trajectoire épouse la courbure locale de l'espace-temps, une déformation produite par la masse du Soleil. Ainsi les particules de lumière sont-elles, à l'image des particules de matière, soumises aux effets de la gravitation. Si la rencontre d'objets massifs ne fait que les dévier de leur trajectoire initiale, les trous noirs les piègent en revanche : acquérir une vitesse supérieure à celle de la lumière est en effet nécessaire aux particules pour pouvoir s'en échapper.

Les effets mesurables de la courbure de l'espace-temps générée par la masse du Soleil
sur les rayons lumineux issus d'une étoile lointaine : en l'absence du Soleil, les étoiles A et B
apparaissent distantes d'un angle thèta ; en présence du Soleil, les rayons lumineux issus
de l'étoile B sont déviés, semblant provenir d'une étoile située en B'.