lundi 29 septembre 2008

Histoire de l'Astronomie 19

La gravitation universelle

Le formalisme mathématique manquait toutefois à Hooke pour déduire de l'existence d'une telle attraction solaire, la nature elliptique des orbites planétaires. Aussi fit-il appel à un mathématicien de grande renommée, Isaac Newton (1642-1727). Ce génial inventeur du calcul différentiel et intégral n'hésita cependant pas à s'approprier les découvertes de Hooke.
Chacun connaît en effet la célèbre histoire de cette pomme qu'Isaac Newton vit tomber dans le verger de ses parents, un beau jour de l'an 1665. Si les effets de la gravitation terrestre se faisaient sentir à une certaine altitude, cette force ne s'exercerait-elle pas jusqu'à la Lune ? Dans ce cas, la Lune aurait tendance à "tomber" sur la Terre. La résultante de cette attraction terrestre sur le mouvement naturel de notre satellite - un mouvement rectiligne et uniforme - serait une orbite elliptique - quasi-circulaire en réalité - autour de la Terre.
D'après la légende, Newton aurait calculé que la Lune est 60 fois plus éloignée de la Terre que la pomme, que sa chute est 3600 fois plus longue également. Notre satellite est donc 3600 fois moins soumise à l'attraction terrestre que la pomme. Or, 3600=60². Il en aurait déduit que la gravitation terrestre est une loi inversement proportionnelle au carré de la distance, une loi en 1/r².

Ainsi, si la Terre exerce une telle force sur notre satellite, certainement le Soleil exerce-t-il une attraction comparable sur chacune des planètes de notre système solaire et les planètes sur leurs satellites respectifs. Newton en conclut que les objets de l'univers sont en constante interaction : une interaction dont l'intensité est inversement proportionnelle au carré de la distance séparant ces objets. De cette interaction résulterait la forme elliptique des orbites. Ainsi serait née, il y a quelques trois siècles, la théorie de la gravitation universelle.
La réalité diffère néanmoins quelque peu : des documents datant de l'époque, qui furent rédigés de la main de Newton, montrent en effet que ce dernier n'avait pas clairement formulé la loi de décroissance (en 1/r²) de cette interaction gravitationnelle entre objets du système solaire, avant qu'il n'ait reçu cette lettre de Hooke lui demandant expressément de l'aider dans ses recherches. Dans ses Principa, l'oeuvre maîtresse de sa vie qu'il rendit publique en 1687, il ne fit pourtant aucune allusion aux travaux de son concurrent direct, Hooke. Lui qui avait étendu la loi de la chute des corps à l'ensemble des corps de notre système solaire, qui avait déduit de l'existence de cette interaction la nature elliptique des orbites planétaires, enfin, qui avait démontré la validité des deux premières lois de Kepler, avait donc tenté de rafler tous les honneurs en s'attribuant la découverte de la loi en 1/r². Cette attitude vaniteuse assombrissait quelque peu ses réalisations, pourtant formidables. N'était-ce pas Newton en effet qui avait démontré que l'intensité de cette force gravitationnelle entre deux objets distants de r dépend du produit de leurs masses respectives, M et M' ? La force de gravitation prenait alors la forme que nous lui connaissons aujourd'hui : F = G x M x M'/r², où G est une constante, la constante de gravitation universelle. En généralisant la troisième loi de Kepler, il devenait désormais possible de déduire des paramètres orbitaux d'un objet céleste donné, la masse de l'astre autour duquel il gravite : la masse de Jupiter, connaissant la période de révolution T et la longueur du demi grand axe a de l'orbite de l'un de ses satellites - Ganymède, par exemple.
Parce qu'elle s'applique à tous les corps célestes sans exception, indépendamment de la région de l'univers qu'ils occupent, cette loi de la gravitation est véritablement universelle. Sa découverte fut à la base du développement de la mécanique céleste, cette science de la prédiction - prédiction de la position des planètes à un instant donné, prédiction du retour des comètes également, ces objets aux orbites elliptiques très allongées. Ainsi l'astronome Edmund Halley (1656-1742) calcula-t-il, sur la base d'observations parfois anciennes, les orbites de 24 comètes. Dans un mémoire paru en 1705, il dévoila l'existence de cette orbite commune à plusieurs de ces objets : les comètes de 1531, 1607 et 1682. Il en déduisit qu'il s'agissait vraisemblablement là du retour périodique d'une seule et mème comète, dont la période de révolution autour du Soleil avoisinait les 76 ans. Son passage suivant se réalisa, conformément à ses prédictions, en l'an 1758. La déviation qu'elle subit en passant à proximité de Jupiter, responsable d'un retard de quelques semaines sur la date de son retour, fut elle aussi prédite par Halley, ce fervent partisan de la théorie de la gravitation universelle. Depuis, cette comète porte le nom de son découvreur.
Cette théorie s'imposa plus encore avec Caroline et William Herschel, qui l'appliquèrent avec succès à de lointains systèmes d'étoiles doubles... preuve que cette force régit bien le mouvement de chacun des objets célestes, indépendamment de la région de l'univers qu'ils occupent. Ses multiples observations du ciel avaient par ailleurs permis à William Herschel de repérer, en l'an 1781, une septième planète, dont l'orbite est plus éloignée encore du Soleil que celle de Saturne : elle fut baptisée du nom de ce dieu romain, Uranus. En 1821, il apparut toutefois, aux yeux de l'astronome Alexis Bouvard, que l'orbite d'Uranus présentait une déviation vers l'extérieur, que l'attraction du Soleil et des six autres planètes de notre système solaire ne pouvait expliquer. Certains en déduisirent l'existence probable, au-delà de l'orbite d'Uranus, d'une autre planète : la planète Neptune, que l'astronome J.G. Galle découvrit quelques années plus tard, en 1846, à l'endroit précis que John Couch Adams puis Urbain Le Verrier lui avaient indiqué, sur la base de leurs calculs "gravitationnels".
La théorie de Newton semblait à cette époque fournir une explication de tout phénomène, aussi étrange soit-il. Aussi Le Verrier n'hésita-t-il pas à attribuer cette anomalie constatée dans l'orbite de Mercure à l'existence d'une nouvelle planète, qu'il nomma Vulcain. Cette planète, dont l'orbite était censée se situer entre le Soleil et Mercure, ne fut pourtant jamais observée. Et pour cause, elle ne pouvait exister ! C'est en tout cas ce que démontra, au tout début de ce XXème siècle, William Campbell. Seule la théorie de la relativité générale qu'Albert Einstein (1879-1955) élaborera au tout début de notre XXème siècle fournira une explication probante de cette "anomalie" constatée dans l'orbite de Mercure.

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