La gravité vue autrement

Ken Tapping, le 05 mars 2014

Dans le ciel cette semaine…

  • Jupiter domine la portion sud du ciel toute la nuit.
  • Mars et Saturne se lèvent vers 22 h et minuit, respectivement. Vénus apparaît aux alentours de 5 h.
  • La Lune entrera dans son premier quartier le 8 mars et atteindra également son point le plus élevé dans le ciel.

Pour compacter et raffermir le sol avant d’entamer la construction d’un bâtiment, on le recouvre souvent d’une épaisse couche de déblais et on laisse la gravité faire son œuvre. Il s’agit d’une autre application importante de cette force universelle qui, en plus de conserver les corps en orbite sur la bonne trajectoire, assure leur cohésion et rend possible la formation d’étoiles. Sans gravité, il n’y aurait en effet ni lumière, ni étoiles, ni planètes tournant autour d’elles.

Les planètes et les étoiles sont d’immenses amas sphériques de matière, dont la cohésion est assurée par l’attraction vers le centre qu’exercent les particules qui les composent. Le poids des couches extérieures finit par comprimer le noyau. Dans le cas de la Terre, cette pression permet au noyau de se comporter comme un solide, alors que dans les couches externes, soumises à des pressions moindres, la matière est en fusion. La gravité joue un rôle encore plus important dans les étoiles. Comme pour les planètes, elle assure leur cohésion, mais en plus, elle leur permet d’émettre de la lumière.

Il y a un siècle environ, on a découvert que les atomes renfermaient de grandes quantités d’énergie et qu’il y en avait encore plus dans les particules élémentaires. L’une des méthodes utilisées pour libérer cette énergie massive consistait à placer de gros atomes instables, comme ceux de l’uranium et du plutonium, dans un milieu les rendant plus instables encore pour qu’ils se fractionnent, libérant sur le coup de la chaleur, des radiations et un éventail de sous-produits radioactifs. Dans des conditions contrôlées, ce procédé appelé fission nucléaire permet de produire de l’électricité.

Une autre méthode consiste à amener des atomes de petite taille, comme ceux de l’hydrogène, à se combiner pour former des atomes de plus gros calibre. On parle alors de fusion nucléaire. Le problème est que pour y parvenir, il faut porter l’hydrogène à des températures et à des pressions extrêmes. Nous savons comment exploiter la fusion pour fabriquer des bombes nucléaires, mais nous ne pouvons le faire de façon contrôlée et constante pour produire de l’électricité. Les étoiles y parviennent par contre très bien, grâce à la compaction de la matière. Il s’agit là du même procédé que celui utilisé sur les sites de construction. Comme un bon ingénieur, la nature ne fait qu’empiler la matière et laisse la gravité faire le travail.

Les étoiles se forment lorsque des nuages de matière cosmique, surtout de l’hydrogène, s’effondrent sous leur propre poids en raison des forces d’attraction à l’œuvre. Sous l’effet des chocs entre les atomes et de la compression exercée, la température et la densité au cœur finissent par déclencher la fusion nucléaire. Seul le poids des couches extérieures empêche l’énergie libérée par la fusion de faire éclater le noyau. En fait, le processus s’auto-entretient. Si l’énergie libérée diminue, l’étoile s’effondre un peu sous son poids, ce qui accroît la compression et la température interne, et permet de relancer la fusion. Si l’énergie libérée est trop grande, la pression au cœur pousse l’étoile à se dilater; le noyau se refroidit alors et la pression se relâche, ce qui réduit l’énergie libérée. Dans les étoiles comme le Soleil, le processus est d’une très grande précision. L’énergie produite est constante, et il faut des instruments d’une grande sensibilité pour mesurer les variations.

Ce n’est toutefois pas le cas de toutes les étoiles. L’énergie produite par certaines étoiles en fin de vie varie de façon irrégulière sur une période de plusieurs années. D’autres étoiles géantes ont une variation périodique, leur luminosité pouvant augmenter ou diminuer de plus de 50 % en quelques jours. Dans certains cas, le rythme de pulsation est directement lié à l’énergie libérée. En évaluant la luminosité absolue de ces étoiles et en la comparant à leur éclat apparent, on peut calculer la distance à laquelle elles se trouvent. Appelées Céphéides, du nom de Delta Cephei, la première étoile de ce genre découverte, ces étoiles sont utiles pour mesurer les distances à l’échelle cosmique.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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