Gravitation
CEA Explorer et comprendre l’Univers
7 mars 2024
Pourquoi?
Galilée
(1564 — 1642)
La gravité agit de la même façon sur tous les corps à la surface de
la Terre.
(Dudva CC BY-SA
3.0 )
Dave Scott, Apollo 15 (NASA)
Principe d’inertie (v. 1.0)
En l’absence de toute contrainte et de toute force, un objet en
mouvement continuera sur sa lancée horizontale pour toujours.
Les planètes continuent a parcourir leur orbite pour toujours.
René Descartes
(1596 — 1650)
Principe d’inertie (v. 2.0)
Les objets se déplacent en ligne droite à vitesse constante tant
et aussi longtemps qu’aucune force n’agit sur eux.
Il doit donc y avoir une force qui tire les planètes vers le
Soleil
Isaac Newton
(1642 — 1727)
Quelle est la force qui tire continuellement les planètes vers le
Soleil et les maintient sur leur orbite?
Première loi de la mécanique
Principe d’inertie (v. 2.0)
Les objets se déplacent en ligne droite à vitesse constante tant
et aussi longtemps qu’aucune force n’agit sur eux.
Deuxième loi de la mécanique
L’accélération subit par un corps est proportionnelle à la force
nette appliquée à ce corps et inversement proportionnelle à la masse du
corps.
Troisième loi de la
mécanique
Toute force exercée par un objet A sur un objet B est accompagnée
d’une force exercée par l’objet B sur l’objet A qui a la même grandeur
et est dans la direction opposée.
Interlude : Newton et la
pomme
(Alexander Borek CC BY-SA
4.0 )
La force qui maintient les planètes en orbite autour du Soleil est la
même qui fait tomber les objets à la surface de la Terre
Loi de la
gravitation universelle de Newton
\[F = \frac{G m_1 m_2}{r^2}\]
Newton publie ses résultats dans les Philosophiae Naturalis
Principia Mathematica
Succès de la théorie newtonienne
Permet d’expliquer tous les phénomènes célestes observés
Prédit de nouveaux phénomènes
Prédiction
de la trajectoire d’une comète par Edmund Halley
Étude
des systèmes binaires par Caroline et William Herschel
Wellcome Collection (CC BY 4.0 )
Découverte de nouvelles
planètes
Découverte d’Uranus en 1781 par William Herschel
L’orbite d’Uranus est bizarre…
J. C. Adams et Urbain Le Verrier prédisent l’existence d’une autre
planète
Neptune découverte en 1846 par J. G. Galle à l’endroit prédit par
Adams et Le Verrier
Problème avec la théorie newtonienne
Perturbation dans l’orbite de Mercure qui ne s’explique d’aucune
façon…
Albert Einstein
(1879 — 1955)
Comment réconcilier le principe de relativité et
l’électromagnétisme?
Pourquoi toutes les mesures de la vitesse de la lumière donnent la
même valeur?
Il ne tente pas d’expliquer l’orbite de Mercure
Relativité restreinte
(1905)
Deux postulats
Le principe de relativité
La constance de la vitesse de la lumière
Relativité restreinte
Espace et temps ne sont plus absolus
Dilatation du temps et contraction des longueurs
Facteur de ralentissement du temps \[\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 -
\frac{v^2}{c^2}}}\]
Relativité restreinte
Dilatation du temps et contraction des longueurs deviennent plus
importante lorsqu’on s’approche de la vitesse de la lumière
Les objets massifs ne peuvent jamais atteindre la vitesse de la
lumière
Relativité restreinte
Équivalence masse-énergie
\[E = \gamma m c^2\]
Albert Einstein
La même année (1905), il publie 4 découvertes fondamentales :
Relativité générale
(1916)
Extension de la relativité restreinte à des référentiels
accélérés
En plus des deux postulats de la relativité restreinte, Einstein
ajoute le principe d’équivalence
Il n’y a pas de différence entre la gravité et un référentiel
accéléré.
Principe d’équivalence
Relativité générale
La masse déforme l’espace-temps
Ces déformations sont la cause de la gravitation
Relativité générale
Près du Soleil, la courbure de l’espace est très importante
Mercure est près du Soleil!
Einstein prédit les perturbations de l’orbite de Mercure
Autres succès de la relativité générale
Lentilles gravitationnelles
LRG 3-757 photographiée par Hubble. (ESA/Hubble & NASA)
(NASA/ESA).
Trous noirs
Les objets pour lesquels la vitesse de libération est celle de la
lumière sont appelés des trous noirs .
Trous noirs supermassifs
NASA/JPL-Caltech
NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
EHT Collaboration
Le futur…
Pour expliquer la vitesse de rotation des galaxies, il manque de la
masse! C’est la matière sombre qui compose environ 27%
de la masse dans l’Univers.
L’expansion de l’Univers est trop rapide! Il faut de
l’énergie sombre pour l’expliquer. L’énergie sombre
représente 68% de la masse dans l’Univers.
On ne sait pas de quoi est composé 95% de l’Univers…
Il reste beaucoup à faire!
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