GRAVITATION ET ASTROPHYSIQUE

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Généralités

Le terme « gravitation » est employé depuis l'époque de Newton pour désigner le mécanisme de l'attraction résiduelle mutuelle agissant à distance entre les objets, indépendamment de la nature spécifique de la matière dont ils sont constitués. Cette propriété – indépendance de la nature de la matière – fut établie par Galilée en 1638, avec la formulation de ce qui est maintenant connu sous le nom de principe d'équivalence. Celui-ci traduit le fait que, si les effets mettant en jeu la nature physico-chimique des corps (comme la résistance de l'air, les forces magnétiques...) sont éliminés, n'importe quel petit corps tombera vers la Terre avec la même accélération g (par rapport à un repère de référence lié à la Terre). Newton interpréta ce champ gravitationnel apparent g mesuré localement comme la somme d'une petite contribution centrifuge (compensant l'accélération due à la rotation de la Terre) et d'une contribution strictement gravitationnelle γ, où le vecteur champ γ doit être envisagé comme s'étendant à tout l'espace et représentant l'accélération totale (par rapport à un repère inertiel) de tout corps libre de l'influence de forces non gravitationnelles. Newton compléta sa théorie en postulant que γ se compose de la somme des contributions de chaque élément microscopique de matière, proportionnellement à leur masse, en suivant la célèbre loi de l'inverse du carré de la distance. Si r représente la distance à l'élément et →ı le vecteur unitaire orienté dans sa direction, le champ gravitationnel est donné par :

où Σ représente une sommation sur tous les éléments de masse m non nulle, et où G est la constante d'attraction universelle. Dans le cas d'un objet sphérique, l'évaluation de la sommation peut être obtenue immédiatement : le champ à l'extérieur de l'objet est le même que si un seul élément microscopique de masse M = Σ m était placé en son centre.

La théorie newtonienne, exprimée par l'équation (1), est non seulement capable de rendre compte des lois de Kepler, déjà connues (1621), qui gouvernent le mouvement périodique des planètes autour du Soleil, ou des satellites autour des planètes, mais elle permet aussi de prévoir correctement les dérives de ce mouvement périodique dues aux interactions entre planètes. Réciproquement, et de manière tout à fait indépendante, la première grande réussite de la théorie fut son utilisation, par Urbain Jean Joseph Le Verrier et John Couch Adams, pour prédire l'existence de la planète Neptune, jamais observée jusqu'alors, afin d'expliquer les anomalies des orbites des autres planètes. La faculté de la théorie de Newton de permettre des prévisions qualitatives et quantitatives précises dans des contextes d'une grande généralité surclassait tout ce qui était connu jusque-là. En outre, à part quelques anomalies qui ne sont pratiquement pas mesurables (la plus importante concerne la précession du périhélie de l'orbite de Mercure), la théorie de Newton permet de rendre compte de tous les phénomènes gravitationnels observés antérieurement à la découverte des quasars et du rayonnement du corps noir cosmologique, vers les années 1960-1970.

Bien que la théorie newtonienne demeure parfaitement adaptée à toutes les applications pratiques (trajectographie des satellites artificiels ou des sondes spatiales, mais aussi applications astrophysiques), la nécessité d'introduire une théorie de la gravitation plus sophistiquée devint évidente dès 1905, quand Einstein publia son mémoire sur la relativité restreinte, de façon à rendre compte des propriétés des phénomènes électromagnétiques en général, et de la lumière en particulier. L'abolition par Einstein du concept de positions mesurables de manière absolue dans l'espace (déterminées par exemple relativement à l'éther, en fonction duquel était exprimée la théorie du champ électromagnétique de James Clerk Maxwell) n'était rien d'autre qu'un retour au concept incarné par le principe de la relativité galiléenne, lequel était tout à fait com [...]

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  • : membre de la Royal Society de Londres, maître de recherche au C.N.R.S., responsable de l'astrophysique relativiste à l'Observatoire de Paris

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Brandon CARTER, « GRAVITATION ET ASTROPHYSIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 21 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/gravitation-et-astrophysique/