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Le mystère Pionner
Selon les calculs de John Anderson, en 1980, la sonde Pioneer 10, qui
vient de croiser l’orbite d’Uranus, glisse dans l'espace plus lentement que
prévu. Chaque année, il lui manque 12000 km sur son «plan de vol ». C'est
peu, comparé aux centaines de millions de kilomètres parcourus. Mais
c'est trop. Elle est censée obéir aux lois de la gravitation, qui sont
parfaitement connues depuis Newton et Einstein. Une différence, même
minime entre le calcul et la réalité est inexplicable...
Pour en savoir plus, Anderson s'intéresse alors à l'autre sonde Pioneer ;
Pioneer 11, qui a décollé un an plus tard, en 1973. Elle se trouve à ce
moment dans les environs de Saturne, à près de 1,5 milliard de kilomètres
de nous. Il étudie sa trajectoire avec soin. Et là…stupeur! La numéro 11
accuse exactement le même retard que sa grande soeur, L’anomalie
Pioneer est née.
Une anomalie si troublante que durant dix-huit ans, la nouvelle ne sortira
pas du laboratoire d'Anderson. C'est seulement en 1998 que la
communauté des astrophysiciens est alertée. Entre-temps, Anderson et son
équipe ont passé au crible les sondes et leur environnement afin de trouver
une explication simple à cette anomalie: erreur de mesure sur la position,
fuite de carburant, poussières interplanétaires plus denses que prévu et
freinant les sondes… On vous passe les détails. En près de vingt ans,
aucune n'a convaincu les chercheurs , si l'on ne trouve pas d'explication «classique»; où faut-il chercher? Les physiciens ont
bien une petite idée, mais.., ce serait énorme! Avant d'en dire plus, revenons en détail sur cette fameuse anomalie.
En retard de 400000 km
Les sondes Pioneer 10 et 11, comme toutes les sondes, ont commencé leur voyage dans le nez d'une fusée. Cette fusée leur
a fait la courte échelle vers l'espace en leur donnant la vitesse suffisante pour vaincre l'attraction terrestre, soit au moins, 11
km.s-1. Une fois abandonnées à elles-mêmes, les sondes ont utilisé cet élan pour avancer.
En l'absence de frottements l’espace est quasi vide de matière, à quelques atomes près ,les sondes se trouvent un peu
comme un patineur glissant sur un lac gelé. Sauf que, comme tous les corps du système solaire, elles sont soumises à
l'attraction du Soleil. La valeur de cette force dépend des masses du Soleil et de la sonde, ainsi que de la distance qui les
sépare. L’intensité de l'attraction diminue avec le carré de la distance. Par exemple à 10 millions de kilomètres du Soleil, la
force de gravitation est 100 (102) fois inférieure à ce qu’elle était à 1 million de kilomètres. Conclusion, plus la sonde
s'éloigne, plus la force de freinage diminue. Voilà pour la théorie. Seulement, en pratique, Anderson a démontré que les
sondes subissent deux forces de freinage : l'une décroît avec la distance conformément à la loi de la gravitation, Mais une
autre force, mystérieuse, s'ajoute à la précédente et sa valeur est constante (voir schéma ci-dessous).

Le résultat est, qu'à chaque seconde qui passe, la vitesse de la sonde diminue de 1×10-9 m.s-1 de plus que prévu. C'est peu :
le freinage total en incluant l'attraction gravitationnelle classique, est mille fois plus grand. Mais ce n'est pas négligeable :
en un peu plus de trente ans, les Pioneer ont pris un retard de 400000 km, soit plus que la distance Terre-Lune. Et surtout,
ce freinage supplémentaire est identique pour les deux sondes. Drôle de coïncidence, d'autant qu'elles sont très éloignées
l'une de l'autre, Aux antipodes de notre système solaire, elles subissent chacune cette étrange influence,
Coup de pouce gravitationnel
Puisqu'ils ont éliminé une à une les causes «classiques» de cette anomalie, les physiciens n'ont plus guère d'autre choix que
de mettre en cause… la gravitation elle-même.
Ils le font très prudemment, car on ne chatouille pas impunément les travaux d'Einstein, Jusqu’à présent, sa théorie de la
gravitation, qui complète celle de Newton, n'a jamais été prise en défaut.
La gravité de Newton à Einstein
La théorie de la gravitation a l'honneur d'avoir attiré les deux plus grands physiciens de tous les temps: Newton (1642-
1727) et Einstein (1879-1955). Newton a eu l'idée de génie de lier pour la première fois un phénomène se produisant sur
Terre, la chute des corps (une pomme tombant de l'arbre), et dans l'Univers, le fait que la Lune tourne autour de la Terre,
par exemple. Il a postulé qu'une même force attirait la pomme et la Lune. Alors, si la pomme tombe sur la Terre, pourquoi
la Lune n'en fait-elle pas autant? Eh bien si, elle tombe! Si la Terre n'était pas là, la Lune avancerait en ligne droite dans
l'espace. L'attraction de notre planète infléchit sa trajectoire, pas assez pour qu'elle tombe, mais suffisamment pour qu'elle
reste autour de nous. La trajectoire circulaire de la Lune est donc l'addition d'une chute jamais achevée vers la Terre, et d'un
mouvement en ligne droite toujours contrarié. Très bien, mais ce que Newton laisse dans l'ombre, c'est la façon dont la
Terre peut agir à distance sur la Lune sans qu'aucun lien physique n'existe entre les deux. C'est Einstein qui donnera la
solution: la géométrie! En 1915, dans le cadre de sa théorie de la relativité générale, il postule que la gravitation est en fait
une déformation de l'espace qui nous entoure. La masse de la Terre déforme l'espace, comme le ferait une boule de
pétanque posée sur un drap.
La Lune se déplace donc en ligne droite sur une surface courbée: c'est pour cela que sa trajectoire apparaît comme un cercle
(voir schéma ci-dessous).
A droite, la gravitation vue par Newton: le mouvement circulaire de la Lune résulte de l'addition
d'un mouvement de chute vers la Terre (en vert) dû à la gravitation, et de l'inertie de la Lune (en
bleu) qui,sans la Terre, voyagerait en ligne droite. Mais il y a un hic! Comment un corps peut-il
agir à distance sur un autre, sans lien physique entre eux? Einstein apporta la réponse en 1915 :en
réalité, un corps massif (une étoile, la Terre...) déforme l'espace-temps qui l'entoure (ci-dessus). Un
objet qui s'a
p
proche se déplace en ligne droite, mais dans un espace devenu courbe. Le résultat es
t
une inclinaison de sa trajectoire vers l'étoile, donnant l'impression qu'il est attiré par elle.
Mais en y regardant de plus près, les physiciens se sont aperçus que les sondes Pioneer n'étaient pas seules à se comporter
bizarrement. D'autres vaisseaux spatiaux semblent prendre leurs aises avec la gravitation…
Depuis les années 1990, les sondes expédiées dans le système solaire font auparavant un «tour de chauffe». Après leur
lancement, elles reviennent frôler la Terre. Elles se laissent attirer par notre planète - elles tombent sur nous, si vous
préférez - et prennent ainsi de la vitesse sans utiliser de carburant. Les navigateurs au sol calculent avec soin leur trajectoire
afin qu'elles se contentent de nous frôler avant de repartir dans l'espace, bourrées d'énergie gratos, La plupart des sondes
utilisent ce coup de pouce gravitationnel pour prendre leur élan vers des destinations lointaines, Ça marche bien... à ceci

près que les sondes, après leur passage, s'éloignent de la Terre à une vitesse légèrement différente des prévisions. Là
encore, l'écart est très faible. Mais il ne devrait pas exister!
Cette fois, c'est carrément louche. D'autant que ces sondes ne sont pas les seules à se colleter avec la gravitation. La
cosmologie, la branche de la physique qui étudie l'Univers, est confrontée à plusieurs énigmes dont le nom est déjà tout un
programme : énergie sombre et matière noire. Dans les deux cas, la gravitation semble mêlée à l'affaire. Une modification
de la loi de la gravitation pourrait peut-être résoudre ces énigmes, sans avoir à imaginer une nouvelle force, ni des
particules étranges (voir encadré ci-dessous).
ÉNERGIE NOIRE
Depuis le big-bang, il y a 14 milliards d'années
environ, l'Univers ne cesse de grandir, tel un ballon
que l'on gonfle. Les galaxies, îlots de matière dans
l'espace, se fuient les unes les autres comme le
feraient des points dessinés à la surface du ballon.
C'est déjà étrange, vu que la seule force s'exerçant à
travers ces distances considérables, c'est la
gravitation, censée rapprocher les corps! Mais il y a
pire: depuis quelques années, on s'est aperçu que
l'expansion de l'Univers s'accélère. On souffle de
plus en plus fort dans le ballon! Pour expliquer
cela, les astrophysiciens ont postulé l'existence
d'une « énergie noire » qui repousserait les
galaxies, agissant comme une antigravité. Mais ils
n'ont aucune idée de sa nature.
Décidément, l'anomalie Pioneer, celle survenant après le «tour de chauffe» des sondes, l'énergie sombre, la matière noire...
ça commence à faire beaucoup. Peut-on pour autant remettre en cause la théorie de la gravitation, véritable socle sur lequel
repose une grande partie de la physique? Certains physiciens s'y risquent, mais sans convaincre le reste de la communauté.
De fait, jusqu'à présent, tous les tests effectués sur la relativité générale n'ont jamais pris en défaut la géniale théorie.
Cependant, avant les sondes Pioneer, jamais on n'avait fait d'expériences sur d'aussi grandes distances. C'est peut-être ça le
truc: la gravitation ne tiendrait pas la (très grande) distance.
De par le monde, des chercheurs persuadés qu'il faut chercher de ce côté-là sont parvenus à triturer les équations de la
relativité pour les faire coller aux nouvelles observations. Le problème, c'est que modifier des équations ne livre pas les
concepts qu'il y a derrière. Faut-il imaginer une cinquième force fondamentale, alors que jusqu'à présent, seules quatre
forces fondamentales permettent de rendre compte de l'Univers tel qu'on l'observe? Il est encore trop tôt pour le dire. Mais
de nombreux physiciens ne seraient pas surpris qu'une véritable révolution vienne secouer toute la physique, du même
ordre que celle engendrée par Einstein en 1915. Au fait, de quoi était-il parti? Au milieu du XIXe siècle, les astronomes
avaient découvert que l'orbite de Mercure n'était pas exactement conforme à ce que prévoyait Newton. Oh, presque rien!
Tout comme Pioneer, ce n'était qu'une toute petite anomalie...
Article tiré de Sciences et vie Junior février 2009.
A voir sur internet pour les passionnés anglophones : www.nasa.gov/centers/ames/missions/archive/pioneer.htlm
MATIÈRE SOMBRE
Nul ne l'a jamais observée, mais les cosmologistes en
ont bien besoin pour rendre compte de la masse
totale des galaxies. Ah bon? Ça se pèse, une galaxie?
Oui, ces immenses concentrations d'étoiles. tournent
sur elles-mêmes à une vitesse qui dépend de leur
masse. Il "suffit" donc de mesurer cette vitesse pour
estimer la masse. Le problème, c'est que la masse
déduite de ce calcul est bien plus importante que
celle obtenue en additionnant toute la matière visible
(étoiles, planètes, nuages de gaz) qui compose les
galaxies. Pour compléter, les cosmologistes ont donc
imaginé l'existence d'une matière invisible... dont la
nature leur échappe toujours! À moins que la
gravitation, impliquée dans la rotation des galaxies,
ne se comporte pas comme prévu. Alors, il faudrait
remettre en cause la première méthode de calcul.