samedi 20 janvier 2018

Le mouvement de Mercure pour sonder les lois physiques fondamentales


Toutes les planètes de notre système solaire sont en train de s'éloigner du Soleil. Pour la Terre, au rythme de 1,5 cm par an. La cause de ce phénomène est que le Soleil perd de la masse, comme des mesures de la sonde MESSENGER autour de Mercure viennent de le démontrer, en même temps qu'elle a vérifié des paramètres physiques fondamentaux.




Il suffit d'observer comment l'orbite de Mercure évolue au cours du temps pour en déduire de nombreux paramètres physiques liés à la gravitation du Soleil. Il s'agit non seulement de la perte de masse du Soleil, mais aussi de paramètres fondamentaux comme la constante de la gravitation G, qui peut ainsi être mesurée avec une grande précision, ou plutôt son éventuelle variation dans le temps. Antonio Genova (MIT) et son équipe l'ont bien compris. Ils ont commencé par établir l'orbite exacte de Mercure en suivant les signaux renvoyés par MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging) qui était active autour de Mercure entre mars 2011 et avril 2015. Puis ils ont extrait des données radio de MESSENGER les infimes variations de positions de la planète par rapport à son orbite telle qu'elle devrait être selon la relativité générale et à masse du Soleil constante.
Mercure est parfaite pour ce type de mesure car elle est très sensible aux effets gravitationnels du Soleil. On se rappelle que la précession du périhélie de Mercure ne pouvait pas être expliqué entièrement par l'effet gravitationnel des autres planètes dans le cadre newtonien, et que c'est l'application de la Relativité Générale qui avait pu l'expliquer parfaitement, ce qui fut la première grande preuve de la théorie einsteinienne.

Mais il y a aussi d'autres contributions, plus faibles, à la précession du périhélie de Mercure, notamment la forme oblate du Soleil (forme très légèrement bombée à l'équateur). Les mesures de Antonio Genova et ses collaborateurs leur permettent ainsi d'évaluer cette déformation du Soleil avec une plus grande précision que les précédentes évaluations qui avaient été faites.
Les astrophysiciens sont en fait parvenus à séparer clairement pour la première fois les effets gravitationnels relativistes et les effets liés à la structure interne du Soleil, comme sa forme ou sa perte de masse). Pour cela, ils ont développé une nouvelle technique qui exploite simultanément les mesures des orbites de Mercure et de la sonde MESSENGER elle-même.
La nouvelle estimation de perte de masse du Soleil est l'une des premières qui a été obtenue par des observations plutôt que par des calculs théoriques. En fait, les astrophysiciens mesurent la quantité (G.dM⊙ )/ (G.M.dt), qui est égale à la somme de la variation relative de la masse du Soleil M⊙  (dM/M.dt) et de la constante de gravitation G (dG/G.dt). Les chercheurs obtiennent ainsi simultanément une évaluation de ces deux variations de paramètres fondamentaux. 
La perte de masse du Soleil est principalement due à deux effets. Le premier est le processus de fusion nucléaire qui produit du rayonnement, qui s'échappe sous forme de photons et de neutrinos : la conversion de l'hydrogène en hélium induit une perte de masse relative pour le Soleil d'environ −0.679 × 10−13 par an. Le deuxième processus est la perte par le vent solaire, qui, elle, est un peu plus incertaine avec une valeur de perte de masse relative comprise entre -2 × 10−14 et -5 × 10−14 selon les modèles. La perte totale de masse relative du Soleil est donc comprise entre -0.9 et -1.1 × 10−13Au bout de 10 milliards d'années, le Soleil aura ainsi perdu (seulement) 0,1% de sa masse... Et cette perte de masse modifie les orbites des planètes proportionnellement à leur distance : 1,5 cm par an par unité astronomique. 
A partir de la valeur de perte de masse du Soleil, Antonio Genova et ses collègues calculent alors la variation relative maximale que peut avoir la constante de la gravitation (par an) : ils trouvent 4 × 10−14.
Cette nouvelle estimation de la variabilité potentielle de G est plus précise d'un facteur 10 par rapport aux précédentes évaluations qui avaient exploité les mouvements de la Lune. Elle conforte plutôt la constance de la constante G.

Cette étude qui vient de paraître dans Nature Communications, démontre comment des mesures très précises de minuscules changements d'orbites de planètes peuvent nous en dire long à la fois sur le Soleil et sur nos lois physiques fondamentales. 


Source

Solar system expansion and strong equivalence principle as seen by the NASA MESSENGER mission
Antonio Genova, Erwan Mazarico, Sander Goossens, Frank G. Lemoine, Gregory A. Neumann, David E. Smith & Maria T. Zuber
Nature Communications 9, Article number: 289 (2018)
http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-02558-1


Illustrations

1) Schéma du principe de la mesure de l'orbite de Mercure (NASA Goddard Space Flight Center)

2 Mercure devant le Soleil (NASA/SDO)

4 commentaires :

Pascal a dit…

Bonjour,

La parte de masse relative solaire par photons et neutrinos est estimée à 0.679.10^-13 ; or la luminosité solaire de 3.85.10^26 W (les photons) correspond en masse relative à seulement 0.214.10^-20 ; est-ce à dire que la luminosité neutrinique solaire est 30 million de fois plus importante que l'electromagnétique ? Par comparaison, dans les SN II, le rapport n'est "que" de 10 000. Où est l'erreur ?

Dr Eric SIMON a dit…

Peux tu préciser comment tu passes de la luminosité photon à la perte de masse, stp ? Merci.

Pascal a dit…

L = dE/dt= dMc²/dt d'ou dM/M.dt=L/(c².M)=3.85.10^26/(9.10^16.2.10^30) (en SI)=0.21.10-20

Pascal a dit…

Eureka ! J'ai exprimé dt en sec et non en ans...on arrive donc à 0.675.10^13 / an, soit la quasi totalité des 0.679.10^13. La contribution des neutrinos serait finalement négligeable !