par Michael J. I. Brown, La conversation
Regardez la lune et il n’est pas difficile de l’imaginer comme une planète. Une boule de roche de 3 476 kilomètres de diamètre, avec des plaines basaltiques et des chaînes de montagnes, dont l’attraction gravitationnelle produit des marées ici sur Terre.
Malgré sa grande masse et son attraction gravitationnelle, la lune fait un excellent travail pour ne pas tomber sur Terre. Pourquoi? Parce que la lune est en orbite.
Les concepts de gravité et d’orbites ont été développés au cours des siècles par des figures légendaires de la science, notamment Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton et Albert Einstein.
Les satellites en orbite sont couramment utilisés pour la communication, l’imagerie et la navigation – pourtant, beaucoup de gens ne comprennent pas comment ces satellites restent dans l’espace.
Aller sur le côté
Une idée fausse commune sur les voyages dans l’espace et l’apesanteur est qu’ils résultent d’une absence de gravité. Alors que l’attraction gravitationnelle de la Terre diminue à mesure que l’on va plus loin dans l’espace, elle ne disparaît jamais entièrement. Lâchez une balle à 100 000 km au-dessus de la Terre et elle tombe progressivement.
Comment les satellites et les lunes s’empêchent-ils de s’écraser ? En allant sur le côté.
Newton n’a peut-être pas été amusant lors des fêtes, mais il pourrait créer une expérience de pensée craquante. Pour illustrer le mouvement des satellites, il a créé le canon de Newton.
Lorsque vous tirez un canon horizontalement sur la Terre, le boulet de canon va sur une certaine distance lorsqu’il tombe au sol. Tirez le boulet de canon plus rapidement hors du canon et il se déplacera plus loin autour de la Terre avant de s’écraser.
Et si vous pouviez tirer le boulet de canon à une vitesse incroyable de 8 kilomètres par seconde ? Le boulet de canon suivrait la courbure de la Terre, étant tiré vers la Terre par gravité mais n’atteignant jamais le sol.
Au moins, il le ferait dans l’expérience de pensée de Newton, sans résistance de l’air et avec un canon magiquement puissant.
Monter
Le canon de Newton reste une expérience de pensée mais au 20ème siècle, il est finalement devenu possible de voyager à une vitesse de 8 kilomètres par seconde. Pas avec des canons, mais avec des roquettes.
En plus d’être plus confortable qu’un canon, une fusée peut parcourir au-delà de 100 kilomètres d’altitude, puis accélérer jusqu’à 8 kilomètres par seconde dans le vide de l’espace. À cette vitesse, il ne faut que 90 minutes pour faire le tour du globe.
Une fois en orbite, les moteurs de fusée peuvent être éteints et un vaisseau spatial peut faire le tour de la Terre. C’est un mythe de science-fiction que les vaisseaux spatiaux plongent de l’orbite lorsque leurs moteurs sont éteints.
L’atmosphère terrestre à des altitudes comprises entre 100 et 1 000 kilomètres est exceptionnellement mince, il faut donc des jours à des années pour qu’un engin spatial soit ramené sur Terre.
Si vous êtes à l’intérieur d’un vaisseau spatial, au-dessus du monde, la gravité vous tirera sur vous et votre vaisseau spatial, et pourtant vous seriez en apesanteur.
L’apesanteur se produit chaque fois que vous êtes tiré librement par la gravité, sans résistance (depuis une surface ou l’air). L’apesanteur peut même être ressentie sans parcourir 8 kilomètres par seconde, au sommet d’un saut ou au début d’une plongée.
Aller plus haut
Que se passe-t-il si vous tirez les fusées, accélérant à une vitesse de 10 kilomètres par seconde? Au lieu de suivre la courbure de la Terre, votre vaisseau spatial suivra un chemin qui l’éloignera de la Terre.
Au fur et à mesure que votre vaisseau spatial s’éloigne de la Terre, il commencera à ralentir, à la fois verticalement et horizontalement (en raison de la conservation du moment angulaire). Finalement, il atteindra une altitude maximale (apogée) et retombera vers la Terre, accélérant comme il le fait.
Le processus s’inverse maintenant, le vaisseau spatial prenant de la vitesse jusqu’à atteindre une altitude minimale (périgée). Le processus se répète ensuite, le vaisseau spatial traçant une ellipse autour de la Terre.
Que se passe-t-il si vous rallumez les fusées en accélérant à une vitesse de 11 kilomètres par seconde ? Maintenant, les choses deviennent intéressantes.
Votre vaisseau spatial s’éloignera de la Terre et sera ralenti par la gravité, mais l’attraction gravitationnelle de la Terre diminue si rapidement qu’elle ne vous arrêtera jamais entièrement. Votre vaisseau spatial quittera le voisinage de la Terre pour errer dans notre système solaire.
Rester immobile
Alors que certains satellites font le tour du monde en 90 minutes, d’autres ne semblent pas bouger du tout. Les satellites météorologiques et de télévision semblent planer au-dessus de l’équateur.
Ces satellites sont en orbite géostationnaire. Lorsque l’on orbite plus loin de la Terre, la vitesse nécessaire pour rester en orbite diminue et le temps nécessaire pour terminer une orbite augmente.
À près de 36 000 km d’altitude, une orbite met une journée entière à faire le tour de la Terre. Comme la Terre tourne sur son axe une fois par jour aussi, ces satellites semblent fixés en place de notre perspective (en rotation) liée à la Terre.
Allez encore plus loin de la Terre et les orbites prennent encore plus de temps. La lune est un satellite naturel situé à 384 000 km de la Terre et il faut un peu plus de 27 jours pour compléter une seule orbite. Même si la lune se déplace d’un kilomètre par seconde vers l’est, sur la Terre qui tourne, la lune se lève à l’est et se couche à l’ouest.
En passant par
Nous pouvons réellement voir des satellites passer au-dessus de nous avant l’aube et après le crépuscule, alors qu’ils réfléchissent la lumière du soleil vers nous.
Certains satellites suivent la rotation de la Terre et se déplacent d’ouest en est. D’autres ont des orbites les prenant au-dessus des pôles, et voyagent du nord au sud ou du sud au nord.
Choisissez la bonne nuit et vous verrez la station spatiale internationale massive mais en apesanteur qui fait le tour du globe.
En silence, les satellites passent au-dessus de la tête, prenant quelques minutes pour se déplacer d’horizon en horizon. Leur passage nous semble assez serein, même s’ils parcourent plusieurs kilomètres chaque seconde à des altitudes de centaines de kilomètres.