Le livre «Gravity. La dernière tentation d'Einstein

Après avoir résolu le mystère de la gravité, nous serons en mesure de répondre aux plus grandes questions de la science: qu'est-ce que l'espace? Quel est le délai de livraison? Qu'est-ce que l'univers? D'où tout cela vient-il? Le célèbre auteur scientifique populaire Marcus Chown vous invite à un voyage passionnant - à partir du moment où la gravité a été reconnue comme force physique en 1666 jusqu'à la découverte des ondes gravitationnelles en 2015. Un changement tectonique approche dans nos idées sur la physique, et ce livre raconte les questions que le phénomène de la gravité nous pose.

Extrait. Lune: tenter de s'échapper

L'influence des marées de la Lune sur la Terre ralentit le mouvement de notre planète, réduisant son moment de rotation. Il existe un principe fondamental de la physique, appelé conservation de la quantité de mouvement pendant la rotation, selon lequel le couple d'un système isolé (fermé) ne change jamais. Cela signifie que si le moment de rotation de la Terre diminue, le moment de rotation d'un autre élément du système doit compenser cela en augmentant. Dans notre cas, il n'y a qu'une seule option - la lune.

L'attraction de la Lune crée deux marées de deux côtés de la Terre, mais celle qui apparaît du même côté que la Lune l'attire avec la plus grande force. Comme nous le savons déjà, cette colline de marée passe généralement la lune sur son orbite, car la Terre fait une révolution autour de son axe plus rapidement que la lune ne la contourne. Par conséquent, la gravité de la Terre entraîne la lune vers l'avant sur son orbite, ce qui lui donne une accélération.

Veuillez noter que la force gravitationnelle de la Terre à une distance de la Lune a exactement la même valeur que celle nécessaire pour courber la trajectoire d'un corps se déplaçant à la vitesse lunaire et lui donner la forme d'une orbite fermée, que nous observons. En conséquence, si la lune se déplace trop vite, sa vitesse dépassera le nécessaire et elle volera hors orbite. Par rapport à la Terre, «au-delà de l'orbite» signifie vers le haut, mais nous savons que si vous lancez un corps (par exemple, une balle) vers le haut, la gravité ralentira son vol. Paradoxalement, la Lune, accélérée par l'interaction des marées avec la Terre, se déplace plus lentement avec la distance de la Terre. De ce fait, le couple augmente jusqu'à la valeur requise.

Et ce n'est pas seulement un raisonnement théorique. Le vaisseau spatial américain habité Apollo 11, Apollo 14 et Apollon 15, ainsi que les véhicules soviétiques sans pilote Lunokhod-1 et Lunokhod-2, ont laissé des réflecteurs sur la surface lunaire. Ces miroirs de la taille d'un poing sont également appelés réflecteurs angulaires, et ils peuvent réfléchir la lumière exactement dans la direction d'où elle provient. Autrement dit, il est possible de diriger le faisceau laser vers la lune afin qu'il se réfléchisse à partir du réflecteur angulaire, puis de mesurer le temps de retour sur Terre. Connaissant la vitesse de la lumière, vous pouvez facilement calculer la distance à la lune.

Les expériences montrent que chaque année la distance parcourue par un rayon réfléchi par la lune augmente de 3,8 centimètres. En d'autres termes, tous les 12 mois, la lune s'éloigne de la Terre d'une distance approximativement égale à la longueur du pouce. Si vous avez 70 ans, dans votre vie, elle a parcouru un chemin égal à la longueur d'une voiture.

Observation des éclipses totales

Le fait que chaque année la Lune se trouve à 3,8 centimètres de la Terre signifie qu'elle était autrefois beaucoup plus proche de nous. Et cela, à son tour, a influencé l'apparition d'éclipses totales - l'un des phénomènes naturels les plus étonnants.

Comme nous le savons déjà, une éclipse totale se produit lorsque la Lune passe entre la Terre et le Soleil, couvrant le disque solaire et projetant une ombre sur la Terre. Une éclipse totale est possible car le Soleil, bien qu'il soit 400 fois plus grand que la Lune, est 400 fois plus éloigné de nous. C'est pourquoi le soleil et la lune nous semblent de taille égale dans le ciel. C'est une très bonne circonstance pour nous. Malgré le fait qu'il y ait plus de 170 lunes dans le système solaire, il est impossible d'observer une éclipse totale de n'importe quelle planète. De plus, nous avons eu de la chance non seulement avec le lieu, mais aussi avec le temps.

À mesure que la Lune s'éloigne de la Terre, dans le passé, elle semblait plus grande et, à l'avenir, elle deviendra plus petite. Apparemment, les premières éclipses totales ont commencé il y a environ 150 millions d'années et après 150 millions d'années, elles ne le seront plus du tout. Les habitants de la Terre ne peuvent observer des éclipses complètes que pendant une courte période de son existence. Par exemple, au temps des dinosaures, ils n'étaient pas là.

Le fait que la Lune s'éloigne de la Terre, et dans le passé était plus proche d'elle, est parfaitement combiné avec la théorie de son origine.

La planète qui chassait la Terre

La lune est trop grande par rapport à la Terre et son diamètre est d'environ un quart du diamètre de notre planète. Toutes les autres lunes du système solaire semblent minuscules à côté de leurs planètes. À l'exception de Pluton, dont la lune est encore plus grande par rapport à sa taille, mais depuis 2006, Pluton a cessé d'être considéré comme une planète.

Cette taille de la lune nous fait penser que son origine était inhabituelle. Les scientifiques suggèrent qu'il y a 4,55 milliards d'années, lorsque notre planète venait de se former, elle est entrée en collision avec un corps céleste d'une masse approximativement égale à la masse de Mars (aujourd'hui cette hypothétique planète s'appelle Theia). Les couches internes de la Terre se sont transformées en liquide et une partie de son manteau a éclaboussé dans le vide. Un anneau s'est formé autour de notre planète, semblable à ceux encerclés par les géantes gazeuses du système solaire. À partir de cet anneau, la Lune s'est rapidement formée, dont l'orbite à cette époque était dix fois plus proche de la Terre. Après cela, la lune a commencé à s'éloigner progressivement de notre planète.

La confirmation de la théorie du Big Burst a été trouvée au cours du programme spatial américain Apollo, grâce à laquelle nous savons que la composition de la Lune est similaire à la composition du manteau extérieur de la Terre. De plus, les roches lunaires contiennent beaucoup moins d'eau que les falaises terrestres les plus sèches. Cela confirme qu'ils ont déjà été exposés à des températures élevées. La seule question est: pour qu'un corps avec la masse de Mars ne détruise pas notre planète entière, mais crée seulement la Lune, il devrait longer la tangente à la Terre à très basse vitesse. Cependant, tous les corps cosmiques se déplaçant sur des orbites autour du Soleil (à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de l'orbite terrestre) sont trop rapides pour cela.

La théorie du Big Burst ne fonctionnera que si Teia était une fois sur la même orbite que la Lune. Il pourrait être formé de débris en un point stable de Lagrange, c'est-à-dire à 60 degrés devant la Terre ou derrière elle en orbite autour du Soleil. Aujourd'hui, les mêmes fragments d'astéroïdes se déplacent dans l'orbite de Jupiter à 60 degrés devant lui et derrière lui, de sorte que Jupiter semble flotter dans la mer des Sargasses. Selon la théorie du Big Burst, Teia a poursuivi la Terre pendant des millions d'années, puis s'est déplacée vers une autre orbite, ce qui a provoqué une collision.

Puisque la force gravitationnelle du corps s'affaiblit au carré de la distance de celui-ci, les forces de marée, qui s'expliquent par la différence d'attraction, diminuent avec le cube de la distance. La Lune nouvellement formée était environ dix fois plus proche de la Terre qu'aujourd'hui, ce qui signifie que la force de marée avec laquelle elle a influencé la Terre était fois plus que maintenant. À cette époque, la Terre n'avait pas encore d'océans, mais s'ils l'étaient, les eaux y monteraient deux fois par jour, non pas de quelques mètres, mais de kilomètres.

Mais non seulement la Lune nouveau-née a influencé la Terre. La Terre elle-même a également agi sur elle avec une force de marée augmentée de 1000 fois. L'inhibition du mouvement de la lune était si forte qu'elle y était très probablement fixée très tôt (pendant environ dix millions d'années après sa formation). Depuis que les premiers micro-organismes sur Terre sont apparus beaucoup plus tard, il y a environ 3,8 à 4 milliards d'années, aucune créature vivante n'a observé le verso de la lune tourner dans le ciel nocturne.

La lune ne bougeait pas toujours à cette vitesse

Une question intéressante se pose: la Lune s'est-elle toujours éloignée de la Terre à une vitesse de 3,8 centimètres par an? En 2013, un groupe de scientifiques dirigé par Matthew Huber de l'Université Purdue (West Lafayette, Indiana) a découvert à quoi ressemblait cette situation il y a 50 millions d'années. Ils ont entré des données sur les profondeurs des océans et les contours des continents existant à l'époque dans un simulateur informatique de marées et, sur la base de ses indicateurs, ont conclu qu'à cette époque, la Lune s'éloignait de la Terre plus lentement, probablement deux fois.

Il s'agit de l'océan Atlantique, qui est suffisamment large aujourd'hui pour former une grande bosse de marée, affectant la Lune et la faisant reculer assez rapidement; Il y a 50 millions d'années, l'océan n'avait pas encore pris sa forme actuelle, sa bosse de marée était donc plus petite et son influence sur le mouvement de la lune était plus faible. À cette époque, le Pacifique était responsable de la majeure partie de l'impact des marées.

Cet exemple est une autre illustration de la complexité du système de marée. Leur hauteur et la force avec laquelle ils ralentissent le mouvement de la Terre et accélèrent le retrait de la lune dépendent de la facilité avec laquelle les bosses de marée peuvent se déplacer à travers l'océan. Ceci, à son tour, est dû à l'emplacement des continents, qui change constamment en raison de la dérive des continents (tectonique des plaques, comme on l'appelle officiellement).

En raison du fait qu'il est impossible de prédire le mouvement des plaques à long terme, nous ne pouvons pas non plus savoir quand la rotation de la Terre va ralentir, de sorte qu'elle sera à jamais tournée d'un côté vers la Lune. Nous ne savons qu'une chose: pour que la Terre commence à faire une révolution complète autour de son axe en 47 jours, et que la Lune s'en éloigne tellement que sa trajectoire orbitale prendrait également 47 jours, il faut au moins dix milliards d'années. Nous savons déjà que c'est un scénario complètement hypothétique, car à ce moment-là, le Soleil se transformera en une géante rouge terrifiante, brillant 10 000 fois plus lumineux qu'aujourd'hui, et détruira (ou du moins changera considérablement) le système Terre-Lune.

Les marées ont une autre propriété. Chaque jour, lorsque les vagues roulent sur la côte, puis retournent à la mer, elles ramassent de nombreux petits cailloux. La friction entre les pierres qui se heurtent constamment les unes aux autres génère de l'énergie thermique absorbée par l'environnement. C’est une telle perte d’énergie qui conduit finalement à un ralentissement de la rotation de la Terre.

Les marées chauffent légèrement la Terre et si vous allez nager dans la mer, ni le sable ni les pierres ne vous brûleront les pieds. Mais dans le système solaire, il y a un endroit où les marées génèrent beaucoup plus d'énergie thermique. Voici Io, le satellite géant de Jupiter, découvert par Galileo en 1609.

Pizza lune

8 mars 1979 La sonde spatiale Voyager-1 de la NASA vole à travers le système Jupiter plus rapidement qu'une balle, se précipitant pour rencontrer Saturne en 1980. Mais avant que le géant du gaz ne quitte définitivement la sonde, l'équipe de contrôle l'oblige à retourner la caméra et à prendre une photo d'adieu d'Io. Linda Morabito, l'ingénieur de navigation, a été la première à voir l'image, couvrant la distance de 640 millions de kilomètres du centre de contrôle de la mission, et elle était à couper le souffle. Une colonne de gaz phosphorescent se détache d'une minuscule demi-lune visible.

Morabito a été le premier dans l'histoire de l'humanité à voir les supervolcans d'Io. Le lendemain, toute l'équipe de gestion de Voyager s'est penchée sur des photographies agrandies et des données de mesure de température. Ils ont découvert huit piliers géants de gaz, projetant de la matière sur des centaines de kilomètres. Il s'est avéré que Io est le corps cosmique le plus géologiquement actif du système solaire, sur lequel se trouvent plus de 400 volcans. Les trous à travers lesquels des roches orange, jaunes et brunes sont jetées à la surface d'Io, ce qui en fait une pizza, ressemblent à des geysers dans Yellowstone Park. Dans un sens, les volcans Io sont vraiment des geysers. La lave en eux ne s'échappe pas à la surface, mais chauffe le dioxyde de soufre liquide, situé directement sous l'écorce d'Io, et il se transforme en gaz. Ensuite, le gaz est projeté comme la vapeur dans le geyser terrestre.

Chaque année, Io libère environ 10 000 millions de tonnes de substance dans le vide, qui tombe ensuite à la surface, la recouvrant de soufre, comme la terre autour des geysers de Yellowstone. C'est pourquoi Io ressemble à une pizza géante sur les photos. Les couleurs vives ne sont que des couches de soufre ayant des températures différentes.

La clé pour comprendre les super volcans d'Io est Jupiter, 318 fois la masse de la Terre. Io est à la même distance que la lune de la terre. Mais en raison de l'énorme force de gravité de Jupiter, Io tourne autour de lui non pas en 27 jours, comme notre lune, mais en seulement 1,7 jours. La gravité agissant sur les bosses de marée d'Io a depuis longtemps arrêté sa rotation, de sorte que maintenant la lune est constamment tournée vers sa planète d'un côté. Imaginez simplement quel genre de vue s'ouvrira devant les gens si le vaisseau spatial se trouve à la surface de Io: Jupiter et ses anneaux nuageux multicolores occuperont un quart du ciel.

Puisque Io est fixé dans une position, les deux bosses de marée qui ont surgi sous l'influence de l'attraction de Jupiter seront dirigées directement sur lui et directement de lui. Ils ne bougeront pas dans la pierre, car les bosses de marée terrestres se déplacent dans les océans. Si quelque chose comme cela se produisait sur Io, les roches dures s'étireraient et se rétracteraient constamment, se réchauffant progressivement en raison de la friction (la boule de caoutchouc que vous serrez dans votre main se réchauffe de la même manière). Comme cela ne se produit pas, il est logique de supposer que la température de Io n'augmente pas sous l'influence des marées de Jupiter.

Mais ce n'est pas le cas.

Un rôle clé dans le réchauffement d'Io est joué par deux autres lunes découvertes par Galileo, qui se déplacent sur des orbites plus éloignées de la planète - l'Europe et Ganymède. Ganymède est la plus grande lune du système solaire et est plus grande que Mercure. Dans le temps qu'il faut à Io pour contourner Jupiter quatre fois, l'Europe le fait deux fois et Ganymède - une fois. Pour cette raison, deux satellites s'avèrent périodiquement alignés sur une même ligne, ce qui améliore leur effet sur Io. Ils semblent tirer Io sur le côté, prolongeant son orbite. Ainsi, Io se déplace constamment en direction de Jupiter ou loin de lui. C'est ce mouvement qui fait chauffer Io de l'intérieur.

Oui, les bosses de marée d'Io sont dirigées directement vers et depuis Jupiter. Mais quand Io se rapproche de sa planète, la bosse de marée grandit, et quand elle part, la bosse diminue. En raison du mouvement constant de la roche, elle est compressée ou étirée, et à cause de ce processus, Io est tellement chauffé que c'est la chaleur qui produit le plus de chaleur par livre de poids dans le système solaire, et non le soleil.

L'énigme de Pluton et Charon

La paire Jupiter - Io n'est pas la seule dans le système solaire dans laquelle deux corps célestes se déplaçant en orbite autour de l'autre étaient fixés dans une position telle que chacun d'eux n'est visible que d'un côté de l'autre. Il y a aussi Pluton et son énorme lune Charon.

La chose la plus intéressante à Charon est que son diamètre est égal à la moitié du diamètre de Pluton. Grâce à cela, Pluton a été considérée pendant un certain temps comme une planète avec la plus grande lune (par rapport à sa propre taille) dans le système solaire. Mais en 2006, l'Union astronomique internationale a privé Pluton du statut de planète et l'a transférée à la catégorie des planètes naines. Maintenant, ce n'est qu'un parmi plusieurs dizaines de milliers de débris de glace en orbite autour du soleil à la frontière du système solaire.

La ceinture de Kuiper est constituée de débris de glace laissés après l'apparition des planètes. La planète n'a pas fonctionné d'eux parce qu'ils étaient trop clairsemés. La ceinture de Kuiper est similaire à la ceinture intérieure des astéroïdes du système solaire - une autre décharge de débris de construction planétaire qui ne pouvait pas se concentrer à un moment donné sous l'influence de la force gravitationnelle de Jupiter.

Le bord intérieur de la ceinture de Kuiper commence près de Neptune (c'est-à-dire que sa distance au Soleil est environ 30 fois plus grande que celle de la Terre), et les extrémités extérieures à une distance du Soleil 50 fois plus grande que celle sur laquelle se trouve la Terre. Malgré son nom, l'ancien soldat irlandais et astronome amateur Kenneth Edgeworth a prédit pour la première fois l'existence de cette ceinture en 1943, donc en toute justice, elle aurait dû être appelée la ceinture Edgeworth-Kuiper.

Pluton répond aux deux critères de la planète formulés par l'Union astronomique internationale en 2006: elle est ronde et se déplace en orbite autour du Soleil. Mais comme il y a de nombreux objets de la ceinture de Kuiper à côté de lui, il ne remplit pas la troisième condition - une orbite libre sur laquelle il n'y a pas d'autres corps célestes.

Le 14 juillet 2015, la station New Horizons de la NASA a traversé le système Pluton-Charon comme un train à grande vitesse, passant à seulement 14000 kilomètres au-dessus du corps céleste, qui au moment où la station a été envoyée était toujours considérée comme une planète. Les employés du Centre de contrôle des missions sur Terre ont été surpris. Ils s'attendaient à voir un monde mort, immobile, lié par le froid cosmique loin du Soleil. Au lieu de cela, des glaciers d'azote et des montagnes de glace sont apparus devant eux, dont les pics étaient cachés dans des tourbillons de nuages ​​minces. Plus surprenant, la soi-disant région de Tombo (une tache rose sur Pluton, en forme de nuage et nommée d'après le découvreur de Pluton Clyde Tombo) n'avait pas un seul cratère, contrairement au reste de la planète. Cela signifie que de la glace s'est formée ici relativement récemment.

D'où vient l'énergie pour cette activité insolite? Les couches internes de la Terre sont chauffées en raison de la radioactivité de l'uranium, du thorium et du potassium, mais cela ne suffit pas pour réchauffer Pluton. Le chauffage sous l'influence de la force de marée de Charon est également exclu, car un processus similaire est impossible dans un système où la lune se déplace en cercle autour de la planète et les deux corps célestes sont toujours tournés l'un vers l'autre du même côté. Cependant, cette règle ne fonctionne que si Charon était dans l'orbite de Pluton au moment de la formation du système solaire, à peu près au même moment où la lune est devenue un satellite de la terre. Si Pluton a acquis son satellite récemment (au cours du dernier demi-milliard d'années), alors le chauffage sous l'influence des forces de marée se serait produit et se serait poursuivi jusqu'à ce que Pluton et Charon soient fixés dans leur position actuelle l'un par rapport à l'autre. Personne ne sait comment c'était vraiment. Cette question reste ouverte.

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