Gravitoélectromagnétisme

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Diagramme d'effets mesurés par la sonde Gravity Probe B et décrits par le gravitoélectromagnétisme.

Le gravitoélectromagnétisme, aussi nommé GEM, est une analogie entre les équations de l'électromagnétisme et celles de la gravitation, plus précisément entre les équations de Maxwell et une approximation, valide selon certaines conditions, des équations d'Einstein pour la relativité générale. Le gravitomagnétisme, quant à lui, est un terme largement utilisé pour décrire une analogie entre l'effet cinétique de la gravité et l'effet magnétique engendré par une charge électrique en mouvement.

Le GEM intervient dans la description d'effets tels ceux de Lense-Thirring et géodétique. Les premières validations expérimentales de cette théorie ont été effectuées par la sonde Gravity Probe B.

Les bases du GEM ont été publiées comme un complément des lois de Newton par Oliver Heaviside en 1893[1].

Théorie[modifier | modifier le code]

Selon la relativité générale, le champ gravitationnel produit par un corps en rotation peut, dans certains cas, suivre des équations ayant la même forme que les équations de l'électromagnétisme classique. Dans une situation où le champ gravitationnel est plutôt faible, on peut donc obtenir des équations provenant de la gravitation similaires aux équations de Maxwell.

Le GEM est une reformulation approximative de la gravitation présentant un champ apparent différent de celui d'un corps bougeant librement, tel que décrit par la relativité générale dans la limite des champs faibles. Ce champs apparent peut être décrit par deux composantes qui agissent de manière semblable aux champs électrique et le magnétique. Par analogie, ils sont appelés respectivement la « gravitoélectricité » et le « gravitomagnétisme » car ils se forment de la même manière autour d'une masse que les champs électromagnétiques autours d'une charge électrique en mouvement.

La principale conséquence du champ gravitomagnétique est qu'un objet se déplaçant près d'un objet massif en rotation aura une accélération qui n'est pas prédite par le seul champ gravitationnel newtonien (gravitoélectrique). Une autre est l'effet Lense-Thirring.

En utilisant le GEM, Roger Penrose a émis l'idée que l'effet Lense-Thirring puisse extraire de l'énergie d'un trou noir en rotation[4], ce qui a été validé par la suite par Reva Key Williams[5],[6]. Son modèle montre comment l'effet Lense-Thirring peut expliquer en partie la grande énergie et luminosité émises par les quasars et les galaxies actives, les jets bipolaires et les jets asymétriques (cf. #Observations)[7],[8].

Gravitomagnétisme – Champ gravito-magnétiqueH produit par le moment cinétique (total) J.
...ou par un courant électrique équivalent I, ce qui donne le même profil de champ par rotation.
Mécanique des fluides – La traînée de rotation, engendrée par une sphère solide immergée dans un fluide, a un sens et une direction analogues à ceux du magnétisme.
Analogies entre différents champs physiques[9].

Observations[modifier | modifier le code]

Des validations indirectes des effets gravitomagnétiques ont été faites à partir de l'analyse de jets relatifs[réf. souhaitée].

Les gyroscopes de la sonde Gravity Probe B ont permis d'observer certains effets décrits par le GEM. Ces derniers ont détecté un déplacement de 39 milliarcsecondes dans un sens et de 6 606 milliarcsecondes dans l'autre[10].

L'Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation planifie également d'étudier certains effets du gravitoélectromagnétisme[réf. souhaitée].

Précession géodétique[modifier | modifier le code]

Une représentation de l'effet géodétique
Article détaillé : précession géodétique.

La précession géodétique est le déplacement graduel de l'axe de rotation du moment cinétique d'un objet suivant une trajectoire en accélération. Cette accélération peut être causée autant par des forces gravitationnelles que d'autres forces qui ne sont pas gravitationnelles[11].

Effet Lense-Thirring[modifier | modifier le code]

Article détaillé : effet Lense-Thirring.

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Gravitoelectromagnetism » (voir la liste des auteurs)

  1. (en) O. Heaviside, « A gravitational and electromagnetic analogy », The Electrician, vol. 31,‎ 1893, p. 81–82 (lire en ligne)
  2. (en) B. Mashhoon, F. Gronwald, H. I. M. Lichtenegger, « Gravitomagnetism and the Clock Effect », Lect.Notes Phys., vol. 562,‎ 1999, p. 83–108 (liens Bibcode? et arXiv?)
  3. (en) S. J. Clark, R. W. Tucker, « Gauge symmetry and gravito-electromagnetism », Classical and Quantum Gravity, vol. 17, no 19,‎ 2000, p. 4125–4157 (liens DOI?, Bibcode? et arXiv?)
  4. (en) Roger Penrose, « Gravitational collapse: The role of general relativity », Rivista de Nuovo Cimento, vol. Numero Speciale 1,‎ 1969, p. 252–276 (lien Bibcode?)
  5. (en) R. K. Williams, « Extracting x rays, Ύ rays, and relativistic ee+ pairs from supermassive Kerr black holes using the Penrose mechanism », Physical Review, vol. 51, no 10,‎ 1995, p. 5387–5427 (liens DOI? et Bibcode?)
  6. (en) R. K. Williams, « Collimated energy–momentum extraction from rotating black holes in quasars and microquasars using the Penrose mechanism », AIP Conference Proceedings, vol. 586,‎ 2001, p. 448–453 (lien arXiv?)
  7. (en) R. K. Williams, « Collimated escaping vortical polar ee+ jets intrinsically produced by rotating black holes and Penrose processes », The Astrophysical Journal, vol. 611, no 2,‎ 2004, p. 952–963 (liens DOI?, Bibcode? et arXiv?)
  8. (en) R. K. Williams, « Gravitomagnetic field and Penrose scattering processes », Annals of the New York Academy of Sciences, vol. 1045,‎ 2005, p. 232–245
  9. (en) I. Ciufolini et J.A. Wheeler, Gravitation and Inertia, Princeton Physics Series,‎ 1995, 498 p. (ISBN 0-691-03323-4, résumé)
  10. (en) Marshall Space Flight Center, « Gravity Probe B - Testing Einstein Universe », sur http://www.nasa.gov,‎ avril 2005
  11. (en) C. W. F. Everitt, B. W. Parkinson, « Gravity Probe B Science Results—NASA Final Report »,‎ 2009

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]