Lexique

Éther : À l'époque de la polémique Newton/Huygens (voire Nature de la lumière), toutes les ondes observées jusqu'alors, c'est-à-dire les ondes mécaniques, avaient besoin d'un milieu quelconque pour se propager. Exemple: les ondes sonores se propagent dans l'air, les ondes visibles à la surface d'un lac après un impact se propagent dans l'eau, etc. Or, comment alors justifier que la lumière, considérée on le rappelle comme une onde, puisse se propager dans le vide interstellaire, où il n'existe aucun «milieu» visible? C'est là que les scientifiques sont allés chercher l'éther, ce soi-disant milieu universel, espèce de soupe dans lequel baignerait tout l'univers. Ce n'est qu'avec la venue de Michelson et Morley, qui ont réalisé une expérience maintenant célèbre visant à prouver l'existence de l'éther, mais qui a plutôt prouvé son inexistence, que cette notion a pu être reléguée aux oubliettes. En effet, comme la Terre se déplace par rapport à l'éther, si l'on envoie de la lumière dans le sens du déplacement de la Terre, celle-ci devrait aller plus vite que celle envoyée dans le sens inverse. Pour mesurer ce phénomène, M&M ont utilisé des miroirs et un appareil d'interférence, un interféromètre (de Michelson, en l'occurrence). Ceci mesure avec une précision incroyable les variations de longueur d'onde de la lumière. Bref, ils ont observé que la lumière voyageait à exactement la même vitesse dans les deux directions. Donc, plus d'éther. Cette conclusion, qui a bafoué les scientifiques à l'époque, a donné à Einstein l'idée qui allait lui servir d'hypothèse fondamentale pour sa théorie de la Relativité. Dans quel milieu la lumière se déplace-t-telle alors? Aucun ; la lumière est une onde électromagnétique.

Étoile à neutrons : Les étoiles à neutrons sont le résultat de l'effondrement d'une étoile massive (cliquez ici pour détails). Ne pouvant supporter leur propre poids, c'est la stucture même des atomes de l'étoile qui cède: les noyaux de fer succombent à la gravité, et le noyau atomique lui-même cède à la pression ; les électrons des atomes pénètrent, à cause de l'intense pression, à l'intérieur même des noyaux pour former, avec les protons, des neutrons. Le résultat est une «mare» de neutrons, formant un des objets les plus compacts et denses de l'univers : une étoile à neutrons. Les étoiles à neutrons ont des propriétés vraiment intéressantes qui méritent d'être mentionnées brièvement. Premièrement, l'intense effondrement gravitationnel leur confère une grande énergie cinétique de rotation, ce qui fait que de jeunes étoiles atteignent une vitesse de rotation inférieure à une seconde (la Terre en prend 24 heures, soit ~86400 secondes). Bien souvent, elles attirent le gaz qui les entoure (comme les restes de la vieille étoile par exemple) pour former ce que l'on appelle une magnétosphère, i.e. une atmosphère de plasma qui réagit à l'intense champ magnétique que l'on retrouve chez certaines étoiles à neutrons. Ces étoiles ont un nom bien particulier : ce sont des pulsars. Leur champ magnétique canalise les particules de plasma chargées vers les pôles magnétiques, où d'intenses jets de radiation sont émis. Comme les pôles magnétiques ne correspondent habituellement pas aux pôles géographiques, ce «phare interstellaire» tourne à une vitesse vertigineuse et balaie l'espace. C'est de cette façon qu'on les détecte de la Terre: on voit des impulsions lumineuses (souvent des ondes radio) d'une régularité presque sans reproche ; c'est une autre caractéristique fondamentale des pulsars.

Fusion thermonucléaire : La fusion thermonucléaire est le moteur principal des étoiles, i.e. le procédé par lequel celles-ci puisent leur énergie. Il s'agit en fait de fusion nucléaire, soit la réunion de deux atomes semblables en un autre plus lourd. Comme son nom l'indique, l'agent initiateur de la fusion est la température. Ainsi, il faut que le coeur de l'étoile atteigne environ 10 millions de degrés avant que la fusion puisse débuter. Par exemple, la réunion de deux atomes d'hydrogène génère un atome d'hélium, mais la masse de l'atome d'hélium est inférieure à la masse des deux atomes d'hydrogène. La «masse manquante» est alors transformée en énergie, selon l'équation E=mc² d'Einstein. Même pour une infime masse, comme c'est le cas lors de la fusion de deux atomes, l'énergie dégagée est colossale. À l'échelle des étoiles, il s'agit ici du processus de production d'énergie le plus efficace que l'on connaisse (il convertit environ 0.7% de la masse en énergie), à une exception près: les trous noirs.

Microquasar : On sait maintenant qu'un quasar est formé d'un immense trou noir situé au centre d'une galaxie, et qui accumule de la matière via un disque d'accrétion. Un microquasar est simplement une version miniature de ce phénomère ; il s'agit en effet d'un simple système binaire où l'une des deux étoiles est un trou noir qui accumule la matière de son compagnon via un disque d'accrétion.

Naine blanche : Une naine blanche est l'astre le moins massif résultant de l'effondrement gravitationnel. C'est le coeur d'une étoile qui a épuisé son carburant d'hydrogène, et s'est rétréci sous l'effet de la gravité, pendant que son enveloppe se dilatait (géante rouge). Cependant, l'effondrement gravitationnel est stoppé par une pression interne des atomes mêmes de l'étoile, qui sont tassés au maximum ; c'est la pression de dégénérescence. À ce moment, les électrons dégénérés exercent une pression qui peut être suffisante pour stopper la gravité, mais seulement si le coeur a une petite masse (maximum 1,4 M_¤). La naine blanche continue alors à briller, mais aucune réaction thermonucléaire ne sévit en son coeur : c'est une étoile morte, que seule sa chaleur maintient visible. Lorsqu'elle s'est refroidie, elle devient une masse compacte de matière qui n'émet aucun rayon lumineux. Elle est alors éternellement maintenue en équilibre par la pression de dégénérescence.

Nature de la lumière : Il y a, à ce sujet, deux théories qui se sont affrontées dans le passé. La première, signée Isaac Newton, la célèbre auteur des lois universelles de la dynamique, affirme que le lumière est essentiellement corpusculaire. En d'autres termes, les rayons lumineux sont composés de petites particules, des «poussières de lumière», qui se déplacent dans l'espace. La seconde théorie, signée par Huygens, prétend quant à elle que la lumière est ondulatoire, i.e. composée d'ondes. Or, à l'époque, la découverte des propriétés de réfraction, d'interférence et de diffraction de la lumière (entre autres) laissent croire fortement à la théorie ondulatoire. Comment expliquer, en effet, le phénomène maintenant bien connu d'interférence par des petites particules? La théorie de la nature ondulatoire l'emporte, aux dépens de Newton. Cependant, beaucoup plus tard, avec la mécanique quantique, on en est arrivé à dire que la lumière à une nature double: elle est composée de particules, les photons, qui se manifestent de le même façon qu'une onde (ceci fait appel à des notions de mécanique quantique, non détaillées ici. Si vous voulez en savoir plus, écrivez-moi).

Nuage interstellaire : Un nuage interstellaire est le milieu d'où naissent les systèmes solaires. Comptant quelques dizaines de milliards d'atomes par centimètre cube (par opposition à notre atmosphère, qui en compte des milliards de milliards), et s'étendant sur des centaines d'années-lumière, il contient l'équivalent de plusieurs fois la masse du Soleil en matière gazeuse. Principalement composé d'hydrogène, l'hélium étant le second élément le plus abondant, il contient également des traces d'éléments plus lourds, tels le carbone, l'azote, et le fer. Ces éléments sont le résultat de la fusion thermonucléaire qui s'opère à l'intérieur du coeur des étoiles. Une autre particularité des nuages interstellaires est leur température: au plus 100 Kelvin ( -173 ºC ).

Ondes électromagnétiques : les ondes électromagnétiques, contrairement aux ondes mécaniques, ne nécessitent aucun milieu pour se propager. Ces ondes peuvent facilement se propager dans le vide : la lumière en est l'exemple parfait. Elles sont composées en réalité de deux champs : un champ électrique et un champ magnétique, déphasés l'un par rapport à l'autre de 90°. Dans le cas le plus simple, où la lumière est complètement polarisée, le champ électrique oscille dans une dimension, tandis que le champ magnétique oscille dans l'autre dimension. La troisième dimension, c'est la direction de propagation de la lumière. En pratique, les champs oscillent aléatoirement dans toutes les dimensions, car la lumière provient de multiples sources. Les champs électrique et magnétique sont mutuellement inductifs, i.e. l'un crée l'autre et vice-versa, ce qui fait qu'ils peuvent se propager dans n'importe quel milieu (à moins d'être absorbés bien sûr) : ils n'ont donc besoin d'aucun milieu propre.

Pression de dégénérescence : Il s'agit d'un concept faisant appel à des notions de base de mécanique quantique, alors je n'en donnerai qu'une explication brève (on pourrait en faire tout un mémoire facilement). Voici : autour d'un atome, les électrons possèdent une quantité finie d'espaces qu'ils peuvent occuper. Un atome possède plusieurs orbitales, ou niveaux d'énergie, similaire à l'orbite de la Terre (l'électron) autour du Soleil (le noyau). Sur chaque orbitale se trouve au maximum deux électrons de spin opposé (la direction de leur moment angulaire). Comme il n'y a qu'on nombre fini d'orbitales, ou encore un nombre fini d'états énergétiques associés à un électron, un atome donné ne peut que contenir un certain nombre d'électrons. Ainsi, lorsque les atomes sont tellement compactés que toutes les cases quantiques sont occupées, il se produit un phénomène nommé dégénérescence. C'est que, dans cet état, les électrons ne peuvent plus entrer dans les atomes, qui sont «pleins». Ils deviennent donc dégénérés, et les atomes ainsi compactés refusent de se rapprocher davantage : ils exercent une pression vers l'extérieur, luttant contre toute force tentant de les rapprocher. Cette pression, vous l'aurez deviné, c'est la pression de dégénérescence. Essentiellement, lorsque la matière est dite dégénérée, son état de pression devient indépendant de sa température, ne dépendant uniquement de la densité de matière. C'est exactement cette situation qui se produit à l'intérieur d'une naine blanche.

Proto-étoile : Lors de la formation d'une étoile, à l'intérieur d'un nuage interstellaire, la matière s'accumule en une «boule». En se contrimant, le gaz du nuage s'échauffe, et donc rayonne de l'énergie. Cette entité ressemble à une petite étoile en ce qu'elle rayonne de l'énergie, mais la distinction importante est qu'elle ne génère pas sa propre énergie par fusion nucléaire, car la température au coeur de la proto-étoile n'est pas suffisamment élevée.

Puits gravitationnel : Un puits gravitationnel n'est qu'un exemple précis d'une notion appelée puits de potentiel. Brièvement, il s'agit d'une situation où règne une force potentielle qui impose une barrière au mouvement des particules. Par exemple, prenons le terme à la base ; supposons un puits, sur Terre. Pour s'échapper du puits, il faut lutter contre la force de gravité qui nous retient par terre. Ainsi, la gravité terrestre, dans cet exemple, est la force potentielle qui restreint le mouvement : il faut dépenser une certaine énergie pour y échapper. C'est le même phénomène lorsqu'il s'agit d'un trou noir, sauf à une plus grande échelle.

Référentiel : Un référentiel, dans la théorie de la relativité, que ce soit celle de Galilée ou bien celle d'Einstein, est un milieu de référence par rapport auquel on prend nos mesures. Par exemple, si on prend comme référentiel la Terre, on peut trouver que le Soleil tourne autour de la Terre, d'est en ouest. Cependant, si on prend un référentiel absolu, i.e. qui ne bouge pas, par exemple le Soleil (aussi appelé référentiel astronomique), on voit que c'est la Terre qui tourne autour du Soleil, et non l'inverse. C'est pour ça que plusieurs pensaient jadis que la Terre était le centre de l'Univers: ils basaient leurs perceptions sur le seul référentiel qu'ils connaissaient, la Terre, qui s'avère ne pas être immobile. Un véritable référentiel immobile, ou plus exactement un référentiel qui se déplace à une vitesse constante, est appelé un référentiel inertiel.

Trou noir de Kerr : La différence majeure entre la solution de Schwarzschild et celle de Kerr est que ce dernier considère les trous noirs comme des entités dynamiques. Par conséquent, comme tout corps en rotation, le trou noir perd sa forme sphérique pour en adopter une qui est plus ovale, aplati aux pôles et étiré à l'équateur. Ce phénomène est bien connu : la Terre elle-même n'est pas ronde, mais ovale, à cause de sa rotation. De plus, la singularité au centre du trou noir n'est plus un point, mais bien un anneau, creux au centre. Toute la masse serait concentrée sur cet anneau. Plusieurs théories, touchant plus au domaine de la science-fiction, sont nées du fait qu'il serait théoriquement possible de passer au centre de cet anneau et, pourquoi pas?, d'emprunter ce qu'on appelle un tunnel Einstein-Rosenberg, mieux connu sous le nom de trou de ver. Ce tunnel, c'est une prédiction théorique faite conjointement par Einstein et Rosenberg, qui dit qu'un tunnel pourrait lier deux points de l'espace-temps, permettant ainsi de voyager entre ces deux points beaucoup plus vite que ne le permet la lumière. Notez bien qu'il s'agit de l'espace-temps, ce qui signifie que ce trou de ver pourrait permettre le voyage dans le passé, ou l'avenir. Mais ne rêvez pas trop : ce que personne ne dit dans Star Trek, c'est que les forces de marée qui existent à l'extérieur d'un trou noir, sans même parler de l'intérieur, sont assez puissantes pour déchiqueter n'importe quel vaisseau Enterprise. Alors, le voyage par trou de ver, ce n'est pas pour aujourd'hui (encore faudrait-il trouver un trou noir à proximité...).