Une vue d'artiste du Système solaire. Les tailles ne sont pas respectées. © Nasa

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Pourquoi Mercure s'éloigne-t-elle du Soleil ?

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Les planètes s'éloignent lentement du Soleil parce qu'il perd de la masse. C'est ce que dit la théorie. L'effet vient d'être mesuré avec précision en observant les mouvements de la sonde Messenger autour de Mercure. Depuis l'apparition de l'espèce humaine, nous sommes plus loin de quelques kilomètres... 

Depuis des décennies, les astrophysiciens tentent de dépasser la théorie de la relativité générale d'Einstein. En conservant un espace-temps courbe, ils modifient les équations gouvernant ses variations dans l'espace et dans le temps. Il peut en découler des violations du principe d'équivalence, comme celles que traque la mission Microscope du Cnes ou encore des variations de la constante de Newton.

Pour tester ces diverses hypothèses, la mécanique céleste est un bon recours. Elle a d'ailleurs joué ce rôle pour la théorie de la gravitation d'Einstein, laquelle expliquait la fameuse précession du périhélie de Mercure, qui échappait à la théorie de Newton.

En fait, ce test est en réalité assez subtil et difficile à mettre en œuvre. Le périhélie est le point de l'orbite d'une planète qui est le plus proche du Soleil et des calculs naïfs conduisent à ce que ce point reste fixe dans l'espace. Toutefois, le champ de gravité du Soleil n'est pas la seule force modifiant la trajectoire de Mercure, il y a aussi celles produites par les autres planètes du Système solaire. On savait déjà du temps d'Einstein que ces perturbations gravitationnelles expliquaient une partie du mouvement de précession du périhélie de la planète.

Une vue d'artiste de la sonde Messenger autour de Mercure. Le mouvement de la planète dans l'espace-temps autour du Soleil s'accompagne d'une précession du périhélie comme on peut le voir. © NASA's Goddard Space Flight Center

Toutefois, d'autres effets étaient à prendre en compte, à savoir le fait que le Soleil n'est pas une sphère parfaite et qu'il n'est pas homogène. Le comportement anormal de Mercure pouvait alors s'expliquer en supposant que la forme et la répartition des masses dans le Soleil différaient de ce que l'on pensait. Cela semblait cependant peu probable même si cette piste a tout de même été examinée de plus près pendant une partie du XXe siècle.

La Terre s'éloignerait de 15 km par million d'années

Aujourd'hui, dans un article de la revue Nature Communicationsune équipe de chercheurs de la Nasa et du MIT est revenue sur cette affaire grâce à la sonde Messenger quand elle était en orbite autour de Mercure. Les variations de sa trajectoire a permis de mesurer encore plus précisément celle de la planète. Les mouvements de la sonde en communication radio avec la Terre pouvaient en effet être déterminés plus précisément. Des écarts entre les mouvements calculés et ceux mesurées pouvaient être bavards sur plusieurs questions, relevant de la recherche d'une nouvelle physique ou, plus sobrement, pour poser des contraintes sur une physique solaire moins exotique quoique fascinante.

Il ressort de ce travail que la théorie d'Einstein passe à nouveau victorieusement certains tests et qu'il est possible, pour la première fois, de mesurer l'influence d'une perte de masse du Soleil en la séparant d'autres effets. Cet amaigrissement provient bien sûr du vent solaire mais aussi des réactions de fusion thermonucléaire qui transforment une partie de sa masse en un rayonnement qui quitte le Soleil (incidemment, ce dernier effet peut se décrire en relativité générale par la métrique de Vaidya). En réponse, Mercure doit s'éloigner lentement mais sûrement de notre étoile et ce doit aussi être le cas de toutes les autres planètes du Système solaire.

Un chiffre précis a pu être déterminé : le Soleil perd un millième de sa masse par 10 milliards d'années, ce qui se traduit, pour une orbite de la taille de celle de la Terre, par une augmentation d'environ 1,5 cm par an, soit 15 km par million d'années. Les contraintes sur la variation dans le temps de la constante de la gravitation ont aussi été améliorées d'un facteur 10 par rapport à celle déterminées par les mesures du mouvement de la Lune.

  • Le mouvement de Mercure a été l'un des premiers tests historiques de la théorie de la relativité générale et il pourrait bien devenir un test pour une théorie allant plus loin.
  • En utilisant les mouvements de la sonde Messenger indirectement liés à ceux de Mercure on peut tester la théorie d'Einstein et aussi estimer la perte de masse du Soleil, due au vent solaire et à la conversion de matière en rayonnement.
  • Les mesures donnent une perte de masse d'un millième par 10 milliards d'années et les planètes s'en éloignent donc. Pour la Terre, son orbite grandirait de 15 km par million d'années environ.
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