Voyager à “vitesse lumière” ?

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Il y a cent ans, l’analyse d’une éclipse solaire confirme les travaux d’Albert Einstein et inspire les écrivains de science-fiction, ainsi que celles et ceux qui rêvent de voyager à la vitesse de la lumière, et par déclinaison de voyages dans le temps. Les fantasmes ont-ils encore de beaux jours siècles devant eux ?

Le 29 mai 1919, les mesures d’une éclipse de soleil fournissaient la preuve de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, qui avait déjà développé la théorie de la relativité restreinte, et qui a révolutionné notre façon de comprendre la lumière. Jusqu’à aujourd’hui, cette théorie fournit des indications précieuses pour comprendre comment les particules se déplacent dans l’espace – ce domaine de recherche clé permet notamment de protéger les engins spatiaux et les astronautes des rayonnements.

La théorie de la relativité restreinte a montré que les particules de lumière, les photons, traversent le vide à une allure constante de 670 616 629 milles à l’heure – une vitesse extrêmement difficile à atteindre, et impossible à surpasser dans cet environnement. Pourtant, partout dans l’espace, des trous noirs jusqu’à un environnement proche de la Terre, les particules sont accélérées à des vitesses incroyables, certaines atteignent même 99,9% de la vitesse de la lumière.

Les scientifiques pensent que la reconnexion magnétique accélère les particules à une vitesse proche de celle de la lumière. L’illustration de l’article décrit les champs magnétiques autour de la Terre, qui se cassent et se réalignent, ce qui provoque l’élimination des particules chargées à grande vitesse. L’accélération se produit selon trois manières.

Les champs électromagnétiques

La plupart des processus qui accélèrent les particules à des vitesses relativistes fonctionnent avec des champs électromagnétiques – c’est la même force qui maintient les aimants sur nos réfrigérateurs. Les deux composants, les champs électriques et magnétiques, ressemblent aux deux faces d’une même pièce de monnaie, agissant ensemble pour fouetter des particules à des vitesses relativistes dans tout l’univers.

En substance, les champs électromagnétiques accélèrent les particules chargées, car celles-ci ressentent une force dans un champ électromagnétique qui les pousse, de la même manière que la gravité tire les objets de masse. Dans les bonnes conditions, les champs électromagnétiques peuvent accélérer les particules à une vitesse proche de la lumière. Sur Terre, les champs électriques sont souvent spécifiquement exploités à plus petite échelle pour accélérer les particules dans les laboratoires.

Les accélérateurs de particules, tels que le grand collisionneur de hadrons et Fermilab, utilisent des champs électromagnétiques pulsés pour accélérer les particules chargées jusqu’à 99,99999896% la vitesse de la lumière. À ces vitesses, les particules peuvent être brisées ensemble pour produire des collisions avec des quantités énormes d’énergie. Cela permet aux scientifiques de rechercher des particules élémentaires et de comprendre à quoi ressemblait l’univers dans les toutes premières fractions de seconde qui ont suivie le Big Bang.

Les Explosions Magnétiques

Les champs magnétiques sont omniprésents dans l’espace, ils entourent la Terre et recouvrent le système solaire. Ils guident même les particules chargées qui se déplacent dans l’espace, qui s’enroule en spirale autour des champs. Lorsque ces champs magnétiques se rencontrent, ils peuvent s’emmêler.

Lorsque la tension entre les lignes croisées devient trop importante, les lignes se cassent et se réalignent de manière explosive selon un processus appelé reconnexion magnétique. Le changement rapide dans le champ magnétique d’une région crée des champs électriques qui entraînent l’élimination de toutes les particules chargées correspondantes à grande vitesse. Les scientifiques soupçonnent la reconnexion magnétique de permettre aux particules – par exemple, le vent solaire, qui est le flux constant de particules chargées du Soleil – d’accélérer à des vitesses relativistes.

Ces particules rapides créent également une variété d’effets secondaires près des planètes. La reconnexion magnétique se produit près de nous aux points où le champ magnétique du Soleil pousse contre la magnétosphère terrestre – son environnement magnétique protecteur. Lorsque la reconnexion magnétique se produit du côté de la Terre opposée au Soleil, les particules peuvent être projetées dans la haute atmosphère de la Terre où elles provoquent des aurores. La reconnexion magnétique est également considérée comme responsable vis-à-vis d’autres planètes comme Jupiter et Saturne, mais de manière légèrement différente.

Les engins spatiaux à plusieurs échelles magnétosphériques de la NASA ont été conçus et construits de manière à comprendre tous les aspects de la reconnexion magnétique. À l’aide de quatre engins spatiaux identiques, la mission survole la Terre pour capturer la reconnexion magnétique en action. Les résultats des données analysées peuvent aider les scientifiques à comprendre l’accélération des particules à des vitesses relativistes autour de la Terre et dans tout l’univers.

Les Interactions onde-particule

Les particules peuvent être accélérées par des interactions avec des ondes électromagnétiques, appelées interactions onde-particule. Lorsque des ondes électromagnétiques entrent en collision, leurs champs peuvent se compresser. Les particules chargées qui rebondissent entre les vagues peuvent gagner une énergie similaire à celle d’une balle qui rebondit entre deux murs en fusion.

Ces types d’interactions se produisent constamment dans l’espace proche de la Terre et sont responsables de l’accélération des particules jusqu’à des vitesses pouvant endommager les composants électroniques des engins spatiaux et les satellites dans l’espace. Les missions de la NASA, telles que les sondes Van Allen, aident les scientifiques à comprendre les interactions onde-particule.

On pense également que les interactions onde-particule sont responsables de l’accélération de certains rayons cosmiques extérieurs à notre système solaire. Après une explosion de supernova, une coquille dense et chaude de gaz comprimé appelée onde explosive est éjectée du noyau stellaire. Remplies de champs magnétiques et de particules chargées, les interactions onde-particule dans ces bulles peuvent émettre des rayons cosmiques de haute énergie à 99,6% de la vitesse de la lumière. Les interactions onde-particule peuvent également être partiellement responsables de l’accélération du vent solaire et des rayons cosmiques du Soleil.

En attendant des avancées scientifiques, à la question “peut-on voyager dans le temps ?”, les réponses d’Albert Einstein et de Stephen Hawking ont été expliquées par nos confrères du journal Le Monde.

Source NASA

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