Tous les objets s'attirent les uns les autres. La gravitation ou attraction universelle est responsable des phénomènes de marées gravitationnelles. 

      On dit qu'Isaac Newton(1643 - 1727) mis en évidence la gravitation par sa relation avec la pomme. Bien sûr, cette histoire est une légende. Il se demanda, par contre, si le mouvement, de la Lune autour de la Terre, ne pouvait pas être considéré comme une chute.

    Tous les objets s'attirent les uns les autres. La force s'exerce le long de la ligne qui les joint. Elle agit instantanément et à toute distance. Elle est proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. La gravitation ou attraction universelle est responsable des phénomènes de marées.

      De toutes les forces connues, la gravitation est celle qui exerce son influence sur des grandes distances. Elle a peu d'importance sur les distances courtes. Les effets des étoiles et des galaxies sont ressentis dans tout l'univers. Deux raisons sont à l'origine de cet état de fait:

  - premièrement, elle décroît lentement (inverse du carré des distances), ce qui lui donne une prépondérance sur les forces de cohésion du noyau atomique ou des forces quantiques, qui lient les électrons au noyau.

- deuxièmement, elle n'a pas de polarité. Elle n'est donc ni répulsive, ni attractive. Un écran se crée autour de l'atome le protégeant des forces électriques des autres. Aucune répulsion gravitationnelle entre les masses n'a été découverte à ce jour. Chaque atome de l'univers est soumis à l'attraction gravitationnelle de tous les autres.

    Pour Einstein les lois qui gouvernent la lumière et la matière sont valables dans tout l'univers. Cela l'amena donc à réviser la loi de Newton et la relation entre espace et matière.  Aujourd'hui, on sait que les effets gravitationnels se propagent à la vitesse de la lumière.

    L'espace est déformé au voisinage des masses et cette déformation est la cause de la gravité. Le mouvement qui en résulte donne donc l'impression d'une force. En l'absence de matière, l'espace n'est pas déformé. Il a une forme euclidienne. Mais en présence de matière, tout change. Un objet massif  crée une dépression, sur l'espace euclidien sans matière. La courbure est importante près de l'objet et diminue en s'en éloignant.

   La théorie d'Einstein est utilisée aujourd'hui pour piloter les sondes à travers le système solaire.

   Le Soleil fut entouré d'autres étoiles, qui furent ses sœurs dans un amas constitué de quelques centaines d'étoiles , contenues dans un diamètre estimé à une dizaine d'al.  La force de gravitation les a dispersées en 250 millions d' années (1 tour de la Voie Lactée). Depuis le Soleil est presque seul dans ce volume.

     Mais en plus, il effectue des sauts de cabri, passant ainsi au-dessus et au-dessous du plan galactique à raison d'un cycle de 30 millions d'années. Actuellement, il "monte" à la vitesse de 7km/s. Il se trouve à 48 al au -dessus du plan. Ce sont les forces gravitationnelles exercées au sein de la Galaxie, qui entraînent cette oscillation, en maintenant ainsi le Système Solaire au sein de la sphère d'influence galactique.

   Au sein du Soleil, la gravitation transforme l'hydrogène en hélium par la fusion du deutérium et du tritium au rythme de 596 000 000 tonnes par seconde d'hydrogène, pour produire 592 000 000. La différence génère le rayonnement.

  Par suite de l'attraction universelle, chaque point de la Terre ou de la Lune subit une déformation périodique. Ceci a pour conséquence de ralentir la Terre et d'éloigner la Lune à raison de 3,8 cm par an.

  Deux lois physiques sont responsables de ces effets:
        - la conservation d'énergie
        - la conservation du moment cinétique

    Pour la plupart des gens, seule la partie visible du phénomène, est connue. La marée, qui est le soulèvement des océans. Mais le sol aussi se soulève de 30 à 40 cm. Sur la Lune le soulèvement du sol est 20 fois plus important. La gravitation entraîne  des tremblements à 700 km de. profondeur

    Sur Terre, la conséquence de ses soulèvements entraînent un frottement des mers sur le fond des océans et un frottement sur les couches profondes de la croûte terrestre. De ces frottements, un dégagement d'énergie (empruntée à la rotation) prend naissance, dissipée ensuite, en chaleur. Il y a ralentissement inéluctable de la vitesse de rotation de la Terre et donc accroissement de la durée du jour.

    Mais si la Terre ralentit, la Lune doit  aussi ralentir. Pour cela, elle change d'orbite en s'éloignant de la Terre de 3,8 cm par an et  ralentit de ½ seconde par an.

   Les planètes Mercure et Vénus, plus proches du Soleil que la Terre, subissent ses effets plus fortement. Il y en a un qui se remarque le plus, c'est la rotation de ces 2 planètes. Elles ont une rotation sur elle-même qui est très lente: 59 jours pour Mercure et 243 jours pour Vénus. Mercure se trouve dans une résonance qui lui fait effectuer 2 révolutions autour du Soleil pour 3 révolution sur elle-même. C'est une situation stable.

   Mais la relativité générale a pu expliquer un phénomène que la loi de Newton n'avait pu élucider. En effet Mercure a une orbite qui change d'orientation et tourne dans l'espace à raison de 43 secondes d'arc par siècle. C'est Le Verrier   (1811 - 1877) qui détecta cette avance. Selon Einstein les orbites des planètes ne sont pas parfaitement elliptiques. La planète prend de l'avance selon une trajectoire enroulée, une sorte d'ellipse en rotation. C'est la précession du périhélie, une conséquence de la relativité générale. La courbure de l'espace près du Soleil est plus importante, donc l'avance au périhélie des autres planètes est de moindre importance.

  Pour Vénus, sa rotation rétrograde laisse à penser qu'elle a dépassé le stade de la révolution synchrone. Il semble que Vénus est basculée sur son axe  ou bien par un choc avec un planètésimal ou bien par suite des forces de marée dans son atmosphère très dense.

     Alors que l'on s'est demandé pendant des années, pourquoi il n'y avait que Saturne à posséder des anneaux, aujourd'hui nous savons que toutes les planètes géantes en possèdent un ou plusieurs. C'est une conséquence immédiate de 2 phénomènes: les forces de marées et les collisions mutuelles entre les particules en orbite.   

 Les corps se déforment d'une manière plus ou moins élastique selon leur composition. Lorsqu'un objet se trouve proche d'un astre, l'attraction différentielle ou force de marée entre l'astre et chaque point de l'objet considéré, brise le corps de grosse taille ou empêche sa formation. Chaque point n'est pas situé exactement à la même distance que les autres points constituant cet objet. Chaque point subit donc de la part de l'astre, une force d'attraction légèrement différente de celle subit par ses voisins. Il en résulte une force qui tend à casser l'objet en mille morceaux à une certaine distance, la limite de Roche.

  Ensuite les collisions entre ses blocs plus ou moins gros, conduisent à un aplatissement du système et à la formation d'un disque fin ( 1 km d'épaisseur pour Saturne) dans le plan équatorial de l'astre. Il ne faut que quelques dizaines d'années pour former un système d'anneau. Ces collisions s'accompagnent d'une perte d'énergie qui a pour conséquence de placer les blocs sur des orbites proches de l'astre. Le système ainsi formé a un axe de rotation moyen. Les collisions qui ont lieu perpendiculairement à cet axe sont moins violentes que celles qui se produisent parallèlement. Le système s'aplatit plus qu'il ne se contracte. Si une grande quantité de matériaux s'était trouvée proche des planètes telluriques, le même phénomène se serait produit.

   Les anneaux sont toujours plus près de la planète que ses satellites. Ils sont confinés à un endroit où les forces de marées les empêchent de se rassembler. Vers l'extérieur cette zone s'étend jusqu'à la limite de Roche.

   Et enfin, le Soleil possède lui aussi des anneaux. Le plus connu s'étend de Mercure jusqu'à Mars et est responsable de la lumière zodiacale. Le 2ième s'étend de la ceinture des astéroïdes jusqu'à 4 UA (4 fois Terre - Soleil). Il représente un tore de matières, probablement du graphite, résultat des collisions entre divers objets. Il fut découvert dans les années 80, par le satellite Iras. Le 3ième est proche du Soleil, à 4 rayons solaires (3 millions de km). Il fut découvert lors de l'éclipse du 11 juin 1983. Ces poussières (silicates) viennent des régions éloignées et tombent lentement. Proche du Soleil, elles sont vaporisées et marquent ainsi le bord interne de l'anneau.

      Phobos est en orbite à 9 354 km du centre de Mars, soit 6 000 km de sa surface. Trop proche de sa surface , il ne peut être vu au-delà du 69e parallèle. En équivalent terrestre, la Lune ne serait plus visible au-delà du cercle Arctique.

      Un grand cratère, Stickney (Ø 10 km), serait à l'origine de stries apparaissant à sa surface, faisant penser à des craquelures. Ces dernières seraient accentuées par les forces de marées, exercées par Mars, compte-tenu de la proximité de la planète. Phobos se trouverait dans la limite de Roche, ce qui est la cause de son écrasement sur Mars dans 30 millions d'années. Son altitude baisse de 1,8 m par siècle.

   Sur Io règne un volcanisme inconnu sur Terre, dû à l'action de la gravitation. Io est lié gravifiquement à Europe et Ganymède par la relation a+2b-3c = 180° avec a, b, c correspondant à l'axe moyen des 3 corps et qui donne ainsi naissance à un malaxage interne d'une puissance estimée à 70000 gigawatts. C'est un fait unique d'interactions entre des astres différents. Les effets mécaniques qui en découlent ont conduit Io à avoir la forme d'un ellipsoïde, dont l'axe principal est dirigé vers Jupiter, avec une légère libration. Ce grand axe varie selon les distances à Jupiter. Il est donc maximal pour la distance la plus courte.

   La première des forces vient de sa rotation propre. Io est stabilisé sur une orbite synchrone de 42 h 28mn. Mais l'action d' Europe et Ganymède, accroît fortement les perturbations, qui déforment l'orbite et la rendent elliptique. De plus, étant sur des orbites valant 2 et 4 fois celle de Io, des résonances interviennent. C'est ainsi que l'intensité des forces gravitationnelles varie tout au long de son orbite, causant un malaxage avec évacuation de l'énergie par des caldéras. Ce mécanisme entraîne un flux de surface égal à 2,5 watts/m² et qui est 250 fois supérieur à ce que pourrait transmettre une radioactivité interne et 30 fois supérieur à notre flux thermique.

      Au-delà de Pluton, il n'y a pas de dixième planète, comme on l'a crû pendant très longtemps. Il y a par contre la ceinture de Kuiper, où l'on compte, selon l'équipe du Télescope Spatial (HST), de l'ordre de 60 000 objets par degré carré.  Cela représentent au moins 100 millions d'objets, allant de quelques centaines de km à quelques dizaines de mètres. Il s'étendent de 30 à 45 UA. C'est en étudiant l'orbite des comètes que les chercheurs ont soupçonné leur origine. Les perturbations gravitationnelles des planètes géantes, les font plonger parfois, vers le Soleil. La plupart des comètes n'ont pas d'autre origine.

10. Galaxies

    Les marées gravitationnelles déforment le disque des galaxies lorsque les distances diminuent entre elles. Ainsi, la Voie Lactée et ses voisines les Nuages de Magellan subissent des marées importantes. La Voie Lactée s'étendant jusqu'à 500 000 al, englobe ainsi les Nuages de Magellan. Sa périphérie ne comporte que de la matière peu lumineuse (trous noirs, poussières, neutrinos, etc...). Un gauchissement du disque existe aux extrémités. Il atteint 1000pc (parsec = 3,26 al) à 15000 pc du centre galactique. Des ponts de matières peuvent être créés par l'aspiration de la  matière par la plus forte . Par exemple: les courants magelliques. C'est un nuage laissé par l'attraction universelle. Souvent l'on remarque des amas de galaxies où la déformation est importante par suite des effets de marées.  Un corps soumis aux forces de marées aura tendance à s'allonger dans la direction de la force (NGC6745 ci-contre) et à se comprimer dans une direction perpendiculaire. Le fait que les galaxies soient constituées de gaz faiblement liés,  permet à la gravitation d'accroître la déformation. Elle peut prendre l'apparence d'un S. L'interaction gravitationnelle permet aussi le regroupement des petites galaxies autour des grosses, avec en final, l'absorption des petites par la grosse.

   Les couples d'étoiles peuvent vivre des amours tumultueuses se terminant par le cannibalisme de l'une sur l'autre, donnant lieu à des explosions fantastiques (novæ et supernovae). La gravitation de la plus forte l'emporte. 

    Le scénario suivant devrait éclairé sur le mécanisme du cannibalisme. Le fort champ gravitationnel de la plus massive (qui peut être un trou noir ou une naine blanche) attire de la matière des couches superficielles de l'autre, par effet de marée. Cette matière s'enroule autour de la plus massive en un disque. Là, les frottements qu'elle subit l'échauffe à des températures du million de degrés. 40% de la matière formant le disque est convertit en rayonnement X. Elle peut ainsi, au fil des années absorber toute la matière de la plus faible et laisser son corps à nu. Lorsque le gaz aspiré atteint une température et une pression suffisante, l'embrasement nucléaire est inévitable. C'est dans l'enveloppe de l'explosion qu'apparaissent les éléments lourds.

    L'interaction gravitationnelle peut aussi éjecter les planètes. Ainsi on estime que 1 à 5% des planètes seraient expulsées de leur système. Elles seraient des millions à vagabonder entre les étoiles de la Voie Lactée. 11 ont été découvertes dans la nébuleuse d'Orion.

    Le trou noir étant le résidu d'un astre qui s'est effondré, son influence ne se fera sentir que si un objet s'approche trop près.  Si le Soleil était un trou noir, il n'y aurait aucune influence sur terre. Dans le trou noir, sa particularité, c'est sa taille: 10 km environ. Sa masse n'ayant pas changé (2.10³⁰ kg pour le Soleil), l'attraction gravitationnelle ne change pas. A noter que si un trou noir possédait des dimensions galactiques sa densité serait inférieure à l'eau car elle varie en 1/R² .

   Voir aussi la densité des étoiles denses.

    Quand la lumière, d'un astre en arrière-plan, passe à côté d'une étoile, elle est déviée et amplifiée par la courbure de l'espace. L'étoile agit comme une lentille gravitationnelle de faible puissance. Einstein prédit la déviation avec une grande précision, alors que la loi de Newton ne donne qu'une précision 2 fois inférieure. Cette déviation de 1,75 secondes d'arc de la lumière d'une étoile passant au ras du Soleil, a été vérifiée, lors d'une éclipse en 1919, par Eddington. La radio - interférométrie des quasars a permis d'améliorer la précision. Les signaux radio des sondes interplanétaires ont confirmé tout cela lorsqu'elles sont de l'autre côté du Soleil.

   La grande découverte fut la mise en application de ce principe avec les galaxies. Elles sont de très bonnes lentilles gravitationnelles. Elles permettent ainsi de voir des masses sombres comme par exemple d'immenses nuages moléculaires froids et de plus par amplification de la lumière de l'objet en arrière-plan, elles permettent de voir des objets invisibles par les moyens habituels. La recherche de la matière noire est aussi au programme.

   L'optique gravitationnelle utilise ainsi, aujourd'hui, la Relativité Générale en se servant des corps massifs qui courbent la trajectoire de la lumière pour fouiller dans le passé de l'univers.

    Ils sont la plus spectaculaire application de la Relativité Générale. Ils démontrent de façon éclatante la courbure de l'espace. Au voisinage d'amas galactiques, la lumière d'un objet en arrière-plan est déviée, provoquant des arcs. Ce sont les images amplifiées et agrandies jusqu'à 100 fois, de la galaxie cachée derrière que nous pouvons observer maintenant. Nous pouvons ainsi étudier l'univers lointain, lorsqu'il n'avait que 15% de son âge.

   Ces arcs dessinent le contour de la masse très dense, dont le puissant champ gravitationnel provoque la déviation de la lumière, laissant ainsi deviner sa forme. Cette masse se comporte comme une lentille, d'où son nom de lentille gravitationnelle. Cela provoque une illusion, d'où le nom de mirage. L'image est distordue en fonction de la répartition de la masse dans l'objet sombre. Ces arcs sont aussi l'image de la galaxie située très loin en arrière-plan.  Ils amplifient son image en longueur et non en largeur. L'image de la source est allongée le long de la direction définie par l'arc, tandis que perpendiculairement, il n'y a pas d'accroissement de taille.

   C'est en 1985, qu'une équipe de l'observatoire de Toulouse, en utilisant le CFHT (télescope Canada-France-Hawaï) de 3,60 m, scruta des galaxies au centre de l'amas d'Abell 370 et découvrit le phénomène, image ci-dessus. Cet amas est situé à 5 milliards al. La galaxie se trouvant derrière, mesure 26000 al de diamètre. Quant à l'arc très fin, il mesure 500 000 al de long. Une équipe américaine fit la découverte analogue sur un autre amas, l'année suivante.

   Pour voir les arcs, l'alignement Terre - masse sombre - galaxie doit être parfait et le champ gravitationnel de la masse sombre, puissant. La masse d'un amas géant, délimitée par les arcs, peut atteindre 1.10¹⁴ masses solaires. C'est 100 fois plus que ce qui est normalement visible, via les étoiles. D'où l'intérêt supplémentaire pour détecter la masse manquante. Cette masse que rend compte la vitesse de rotation des galaxies et qui n'est pas conforme à la partie visible. Actuellement, dans l'inventaire de l'univers, nous ne savons pas où se trouve 90% de ce qui le constitue. Les mirages gravitationnels prouvent qu'elle est bien là, mais nous n'en connaissant pas la nature. La plus grande partie est sûrement faite de nuages de poussières très froides et très denses, et aussi d'étoiles très faibles, hors de portée de nos moyens actuels.

   Les mirages gravitationnels sont des télescopes gravitationnels dont nous ne connaissons pas les paramètres essentiels, à savoir, la taille et la focale du miroir, mais qui nous permettent aujourd'hui, d'étudier la partie cachée de l'univers. Leurs performances dépassent le Télescope spatial.

   Bien qu'il y est beaucoup de photographies montrant le phénomène, la plus célèbre est celle de la Croix d'Einstein (ci-dessus) qui montre 4 images d'un quasar se situant à 8 milliards al, entourant l'image de la galaxie  qui dévie sa lumière et qui est 20 fois plus proche.

à suivre.....

Voir aussi les calculs sur les marées:
http://scienceworld.wolfram.com/physics/Tide.html

Voir aussi: http://vela.astro.ulg.ac.be/

Apod: http://apod.gsfc.nasa.gov

Apod:http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/