Notes sur la fin des étoiles en astronomie: la vérification et la relativité, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez10 January 2014

Notes sur la fin des étoiles en astronomie: la vérification et la relativité, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur la fin des étoiles en astronomie: la vérification et la relativité. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: La précession du périhélie de Mercure, La trajectoire des rayons lumineux, Le r...
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La fin des étoiles en astronomie :

Vérification - Relativité

Étant donné le bouleversement total de la physique qu'impliquait la relativité générale, il fallait

bien évidemment prouver que la théorie était correcte, qu'il ne s'agissait pas uniquement d'une

magnifique construction intellectuelle, mais bien d'une description du monde réel. Les

premières confirmations observationnelles arrivèrent très rapidement après la publication de la

théorie et, jusqu'à nos jours, aucun test expérimental n'a réussi à prendre celle-ci en défaut.

La précession du périhélie de Mercure

La première confirmation fut apportée par Einstein lui-même, lorsqu'il appliqua la relativité

générale au mouvement des corps du système solaire. Nous avons vu que l'orbite de la Terre

était une ellipse. Si notre planète était la seule à tourner autour du Soleil, cette ellipse serait

fixe. Mais ce n'est pas le cas. Les autres planètes ont également une influence gravitationnelle

et perturbent en conséquence le mouvement de la Terre. Le résultat est que l'ellipse n'est pas

fixe, mais tourne très lentement sur elle-même. Cet effet, appelé la précession du périhélie,

concerne toutes les planètes et s'explique très bien en utilisant les lois de Newton.

Les observations astronomiques ont montré que l'ellipse de chaque planète du système solaire

tourne bien à la vitesse prédite par la mécanique classique. Sauf pour Mercure. L'ellipse de la

planète la plus proche du Soleil tourne légèrement plus vite qu'elle ne devrait. L'avance est très

faible, environ 43 secondes d'arc par siècle, mais néanmoins mesurable à long terme. C'est à ce

problème qu'Einstein appliqua sa nouvelle théorie. En effet, la déformation de l'espace-temps

autour du Soleil étant maximale au niveau de Mercure, un désaccord avec la physique de

Newton y est fort possible. Einstein montra en 1915 qu'en appliquant la relativité générale au

mouvement de cette planète, il arrivait à une précession du périhélie égale à celle que l'on

mesurait effectivement et qui avait laissé perplexe des générations d'astronomes. C'était une

première confirmation éclatante du bien fondé de sa théorie.

Plus récemment, un phénomène similaire a été observé, cette fois dans une étoile binaire dont

l'un des membres est un pulsar. Cette situation est idéale car l'observation radio du pulsar

permet de déterminer les mouvements au sein du couple. La précession du périhélie est

beaucoup plus forte dans ce cas, de l'ordre de quatre degrés par an, ce qui n'a pas empêché les

prédictions de la relativité générale d'être parfaitement vérifiées.

La trajectoire des rayons lumineux

La deuxième confirmation de la relativité générale arriva en 1919, lorsque des observations

mirent en évidence que la trajectoire des rayons lumineux est effectivement courbée en

présence de masse. Comme nous l'avons vu, le Soleil déforme l'espace-temps autour de lui, ce

qui entraîne une légère déviation des rayons lumineux qui passent à proximité. Cela signifie qui

si vous observez des étoiles à un moment où elles apparaissent proches du disque solaire, leur

position apparente doit être légèrement modifiée. Par exemple, l'image des étoiles les plus

proches du disque solaire doit se déplacer de 1,75 secondes d'arc.

Pour vérifier cette prédiction, il fallait organiser une observation en deux temps. La première

opération consistait à prendre une photographie des étoiles proches du disque solaire lors

d'une éclipse de Soleil, lorsque la lumière de notre étoile était masquée par la Lune. Ensuite il

fallait prendre un deuxième cliché de la même région du ciel, lorsque le Soleil s'était

suffisamment éloigné et que les rayons lumineux n'étaient plus perturbés. La comparaison des

deux images devait montrer directement si la position des étoiles avait changé. L'Anglais Arthur

Eddington et d'autres astronomes firent cette expérience en 1919. Ils constatèrent que la

position des étoiles avait effectivement changé entre les deux clichés et que le déplacement

était celui que la relativité générale prédisait. Ce deuxième succès confirma pour de bon la

portée de la relativité générale et fit rapidement d'Einstein une célébrité mondiale.

Le ralentissement du temps

Le troisième type de prédiction concerne le ralentissement du temps au voisinage d'un corps

massif. Une fois encore la théorie fut vérifiée par l'expérience. Une horloge atomique fut placée

à bord d'un avion volant à 10 kilomètres d'altitude. Au retour, elle avait quelques milliardièmes

de seconde d'avance sur une horloge identique qui était restée au sol (attention à ne pas

confondre avec l'effet de dilatation du temps qui est dû à un mouvement relatif, pas à la

gravité). Le temps s'était bel et bien écoulé un peu plus lentement à la surface de la Terre qu'à

une altitude de 10 kilomètres.

L'effet Einstein

D'autres expériences mirent en évidence un phénomène associé au précédent : l'effet Einstein.

Imaginons qu'un rayonnement de longueur d'onde donnée est émis à la surface d'un corps

massif. Pour un observateur au loin, qui voit le temps s'écouler plus lentement à la surface de

l'astre, la période de la lumière et sa longueur d'onde apparaissent légèrement plus longues.

Ainsi, par exemple, de la lumière jaune serait légèrement décalée vers le rouge. Ceci a été

vérifié pour le rayonnement provenant de plusieurs naines blanches, le décalage relatif étant

dans ce cas de l'ordre de quelques cent-millièmes. L'effet Einstein a également été mesuré sur

Terre. Le décalage de longueur d'onde entre la base et le sommet d'un immeuble de 20 mètres

n'est que d'un millionième de milliardième, mais il a été possible de le mettre en évidence et de

vérifier l'accord avec la relativité générale.

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