Voyage interstellaire

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Vue d'artiste d'un vaisseau utilisant un collecteur Bussard.

Le voyage interstellaire désigne un vol spatial entre deux étoiles. Contrairement au vol interplanétaire (vols entre deux planètes d'un système solaire) mis en pratique dès les années 1960, le voyage interstellaire reste avant tout un thème de science-fiction. Il existe en effet une différence considérable entre voyage interstellaire et voyage interplanétaire car l'ordre de grandeur des distances à parcourir est dix mille fois plus important. Avec les technologies actuellement utilisées qui reposent sur des systèmes de propulsion chimique, il faut environ 100 000 ans pour qu'un engin de petite taille puisse parvenir à proximité de l'étoile la plus proche.

Si on écarte la solution très théorique des vaisseaux-générations qui permettrait de s'affranchir de la contrainte de la durée du transit, le voyage interstellaire passe par la mise au point de systèmes de propulsion permettant d'atteindre des vitesses beaucoup plus importantes toutefois bornées par la vitesse de la lumière. De nombreuses études ont été réalisées sur des modes de propulsion exotiques comme le recours à un collecteur Bussard, l'utilisation de la fusion nucléaire ou de la propulsion nucléaire pulsée. Des travaux encore plus théoriques comme ceux portant sur les trous de ver exploitent certaines conséquences potentielles de la Relativité Générale pour imaginer des vitesses de transit supérieures à celle de la lumière.

Pour peu qu'on ne soit pas pressé par le temps et que l'on dispose de moyens financiers suffisants à consacrer à l'élaboration d'un vaisseau adapté, une mission robotique vers les étoiles semble techniquement possible, même si elle représente un défi technique et économique considérable qui a peu de chances d'être relevé avant plusieurs siècles. La NASA a fait des recherches sur ces sujets pendant plusieurs années et a accumulé un grand nombre d'approches théoriques.

Les difficultés du voyage interstellaire[modifier | modifier le code]

Les distances interstellaires[modifier | modifier le code]

Le principal obstacle au voyage interstellaire est la distance entre les étoiles.

Les distances astronomiques importantes sont mesurées en années-lumière, c'est-à-dire la distance que parcourt la lumière en une année (365,25 jours), soit plus de 9 460 milliards de kilomètres. Dans le vide, la lumière voyage à 299 792 458 m/s. La distance entre la Terre et la Lune est d'environ 1,28 seconde-lumière. La distance moyenne entre la Terre et les autres planètes du système solaire va de 2,3 minutes-lumière à environ 5,3 heures-lumière. Selon la planète et son alignement par rapport à la Terre, le voyage dure de quelques mois à un peu plus d'une décennie pour un vaisseau non habité. L'étoile la plus proche du Soleil connue est Proxima Centauri, qui se trouve à 4,22 années-lumière.

Cette étoile se trouve 10 000 fois plus loin que la Neptune la planète la plus éloignée du système solaire. Or la sonde spatiale New Horizons lancée à très grande vitesse vers Pluton a croisé l'orbite de Neptune au bout de 8 ans. Il lui faudrait donc plus 80 000 ans pour franchir la distance la séparant de Proxima Centauri à condition que son vecteur vitesse soit pointé dans la bonne direction[Note 1].

Des systèmes de propulsion existants inadaptés[modifier | modifier le code]

New Horizons est une petite sonde spatiale (478kg) mais il a fallu utiliser un lanceur lourd Atlas V-551 de 574 tonnes pour la propulser à la vitesse qui lui a permis d'arriver aussi vite au niveau de l'orbite de Neptune[Note 2]. Or la masse du lanceur est approximativement proportionnelle à la masse du vaisseau spatial à lancer. Si on part de l'hypothèse de conserver cette masse réduite mais qu'on tente d'augmenter la vitesse à laquelle le vaisseau s'échappe de notre système solaire les gains sont modestes puisqu'il faut pratiquement doubler la masse du lanceur pour gagner 1 à 2 km/s. Il faut également prendre en considération la vitesse d'arrivée dans le système stellaire visé d'un vaisseau lancé à une telle vitesse. Dépourvu de moyen de propulsion il traversera à une vitesse supérieure à celle d'une comète les régions centrales de celui-ci avant de le quitter définitivement. Si l'objectif est de s'arrêter dans le système solaire étranger il faut emporter une quantité d'ergols qui augmente tellement la masse de l'engin que celui-ci ne peut même plus quitter notre système solaire.

Les systèmes de propulsion chimiques utilisés actuellement, même en envisageant une fusée géante, ne permettent donc pas de lancer un engin spatial vers l'étoile la plus proche en espérant l'atteindre dans des délais acceptables pour la société humaine. Les projets spatiaux les plus complexes comme la sonde spatiale Cassini-Huyghens ont produit leurs premiers résultats scientifiques environ 25 ans après le début des premières études mais ce délai a été considéré comme beaucoup trop long par beaucoup d'acteurs.

Même les appareils qui peuvent être théoriquement réalisés sont considérés comme trop lents. Les performances que pourraient atteindre de nouvelles techniques sont bornées par les théories actuelles de la physique qui indiquent qu'il est impossible d'aller plus vite que la lumière.

Autres obstacles[modifier | modifier le code]

Les autres problèmes rencontrés sont déjà connus dans le cadre des missions spatiales : ce sont le vide, les radiations ionisantes, les micro-météorites et l'absence de gravité. Ces problèmes semblent pouvoir être résolus : des missions découlant de la présence robotique ont été réalisées sur toutes les planètes du système solaire, des humains ont marché sur la Lune et des missions habitées sur Mars sont envisagées depuis plusieurs années.

Les objectifs d'un voyage interstellaire[modifier | modifier le code]

Il existe 32 étoiles situées à moins de 15 années-lumières de notre Soleil mais seules quelques unes d'entre elles présentent des caractéristiques qui permettent d'en faire l'objectif d'une entreprise aussi ambitieuse qu'un voyage interstellaire.

Position et désignation des 32 étoiles situées à moins de 15 années-lumières du Soleil.


Spéculations sur le voyage interstellaire[modifier | modifier le code]

Cependant, la relativité restreinte et la relativité générale offrent la possibilité de réduire le temps de voyage apparent : avec une technologie suffisamment avancée, un vaisseau spatial pourrait effectuer des voyages interstellaires quasiment à la vitesse de la lumière, et la dilatation du temps relativiste ferait paraître le voyage moins long aux voyageurs. Cependant, celui-ci resterait long pour ceux qui suivent la mission de la Terre. À leur retour, les voyageurs découvriraient qu'il s'est écoulé beaucoup plus de temps sur Terre que leur temps de voyage subjectif.

Les projets et théories de voyage interstellaires peuvent se regrouper en deux catégories. La première, qu'on appellera voyage lent, prend beaucoup de temps, toujours plus que la vie d'un être humain. La seconde, qu'on appellera voyage rapide suppose que les problèmes mentionnés dans la section précédente peuvent être résolus.

Voyage interstellaire lent[modifier | modifier le code]

Les projets de voyage interstellaire lent, tels que le Projet Longshot, se basent généralement sur des techniques de propulsion susceptibles d'être construites dans un futur proche. Par conséquent, les voyages sont extrêmement longs, pouvant durer d'environ un siècle à plusieurs millénaires. Ces voyages seraient alors des allers simples pour installer des colonies. Les systèmes de propulsion requis sont moins théoriques que pour le voyage interstellaire rapide, mais la durée du voyage constitue un énorme obstacle en lui-même. Ci-dessous sont exposées les principales solutions pour ce cas de figure.

Vaisseau-génération[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Vaisseau générationnel.

Un vaisseau-génération serait assez grand pour contenir une colonie. Les colons vivraient à bord du vaisseau et leurs descendants atterriraient sur la planète de destination. Ces descendants pourraient ensuite établir la colonie, ou s'arrêter simplement pour explorer, puis construire d'autres vaisseaux pour continuer l'expédition. Les vaisseaux-générations ont longtemps été un sujet populaire en science-fiction ; cependant, ces histoires mettent souvent en relief les problèmes dus à la détérioration de la culture des colons nés sur le vaisseau.

Les vaisseaux-générations ne sont pas faisables actuellement, à la fois à cause de la taille énorme qu'ils devraient avoir et parce qu'un tel milieu fermé et auto-suffisant serait difficile à créer. Des écosystèmes artificiels fermés, comme Biosphère II et surtout MELiSSA de l'ESA, ont été construits afin d'étudier les difficultés techniques de ce genre de système, avec des résultats mitigés.

Au-delà des difficultés techniques, un des écueils les plus importants auquel se heurte ce genre de projet réside dans le facteur humain. En effet, comment motiver une population suffisamment nombreuse et diversifiée, ceci afin de limiter au maximum l'appauvrissement de son capital génétique, à s'embarquer dans un voyage dont, en raison de sa longueur, elle ne connaîtra jamais la fin, à engendrer une deuxième génération d'individus et à lui transmettre intacts les buts et les motivations de l'entreprise, sachant que seule la troisième ou la quatrième génération aura une chance, hypothétique, de parvenir à destination.

Animation suspendue[modifier | modifier le code]

Les scientifiques et les auteurs de science-fiction ont proposé des théories variées sur l'animation suspendue. Cela inclut l'hibernation humaine ou la cryogénie. Bien qu'aucune des deux méthodes ne soit actuellement utilisable, elles laissent envisager la possibilité de « vaisseaux-sommeil » où les passagers sont conservés en suspension pendant la longue durée du voyage.

Prolongement de la vie humaine[modifier | modifier le code]

Une variante de cette possibilité est basée sur le développement de techniques rallongeant l'espérance de vie humaine, comme le projet SENS du docteur Aubrey de Grey. Si l'équipage du vaisseau avait une espérance de vie de plusieurs millénaires, il serait possible de traverser les distances interstellaires sans avoir besoin de remplacer l'équipage de génération en génération. Cependant, les effets psychologiques d'un voyage aussi long risqueraient quand même de poser problème.

Embryons congelés[modifier | modifier le code]

Une mission spatiale robotisée transportant un grand nombre d'embryons humains congelés constitue une autre possibilité théorique. Cette méthode de colonisation nécessite, entre autres, le développement d'un utérus humain artificiel, la détection préalable d'une planète habitable de type terrestre, et des avancées dans le domaine des robots mobiles autonomes. Il va sans dire que cette hypothèse, si tant est qu'elle soit réalisable un jour, ne prend pas en compte le risque de créer des générations d'humains psychotiques car conçus, éduqués et élevés par des machines.

Voyage interstellaire rapide[modifier | modifier le code]

La possibilité d'avoir des vaisseaux capables d'atteindre d'autres étoiles rapidement, c'est-à-dire en moins d'une vie humaine, est naturellement plus séduisante. Cependant, cela demanderait des méthodes de propulsion beaucoup plus avancées ou une physique différente.

Vitesse infraluminique[modifier | modifier le code]

Vue d'artiste d'un vaisseau à propulsion nucléaire pulsée (projet Orion).

En 1957, on considérait qu'il était possible de créer des vaisseaux spatiaux de 8 millions de tonnes avec des moteurs à propulsion nucléaire pulsée, capables d'atteindre environ 7 % de la vitesse de la lumière. Le problème d'une telle méthode est qu'elle utilise des explosions nucléaires comme propulsion, et comprend donc de gros risques de radiations.

Une autre proposition était celle du collecteur Bussard, dans lequel une sorte de godet géant capterait et comprimerait l'hydrogène interstellaire, l'utiliserait dans une réaction de fusion nucléaire et expulserait l'hélium résultant. Comme le carburant serait collecté en route au fur et à mesure, le vaisseau pourrait théoriquement accélérer jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière. Proposé en 1960, il fit l'objet de calculs ultérieurs avec une meilleure estimation, qui suggèrent que la poussée générée serait inférieure à la traînée causée par la forme du collecteur. Éventuellement, un appareil de type réacteur, stabilisé par un gyroscope, pourrait permettre à la poussée de contrecarrer la traînée.

Des fusées à fusion nucléaire pourraient atteindre une vitesse équivalente à environ 10 % de celle de la lumière. Une voile solaire alimentée par des lasers massifs pourrait potentiellement atteindre une vitesse similaire, voire supérieure. Enfin, si des sources d'énergie et des moyens de production efficaces permettent de créer de l'antimatière en quantité suffisante, il serait théoriquement possible d'atteindre des vitesses proches de celle de la lumière, où la dilatation du temps diminuerait considérablement le temps de voyage perçu. Même si on n'atteint que 10 % de la vitesse de la lumière, cela permettrait d'atteindre Proxima Centauri en 42 ans.

Protéger des poussières et des gaz du milieu interstellaire un vaisseau voyageant à une vitesse comparable à celle de la lumière constituerait un problème sérieux.

Vitesse luminique[modifier | modifier le code]

Voyage interstellaire par transmission[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Téléportation.

Si des entités physiques pouvaient être transmises en tant qu'informations et reconstruites sur place, voyager exactement à la vitesse de la lumière serait possible. À noter que d'après la relativité générale, l'information ne peut pas voyager plus vite que la lumière. L'augmentation de vitesse comparée au voyage infraluminique serait minimale pour les observateurs extérieurs, mais pour les voyageurs, le voyage serait instantané.

Encoder, envoyer puis reconstruire une description atome par atome, par exemple d'un corps humain, est une perspective intimidante, mais il pourrait être suffisant d'envoyer une sorte de logiciel qui recrée le schéma neurologique d'une personne. Cela suppose que le récepteur ou le reconstructeur ait été envoyé préalablement par des moyens plus conventionnels.

Vitesse supraluminique[modifier | modifier le code]

Les scientifiques et les auteurs de science-fiction ont émis un certain nombre de moyens théoriques de dépasser la vitesse de la lumière. Malheureusement, même la plus vraisemblable de ces théories reste actuellement extrêmement spéculative.

Distorsion de l'espace-temps[modifier | modifier le code]

Selon la théorie de la relativité générale, l'espace-temps est courbe. En science-fiction, on peut imaginer d'utiliser alors un « raccourci » d'un point à un autre. La formule suivante basée sur la relativité générale peut permettre de voyager plus vite que la lumière si l'espace-temps est courbe[1] :

G\mu\,v+8\pi\,GT\mu\,v

En physique, la métrique d'Alcubierre postule que la courbure peut prendre la forme d'une onde, dans laquelle un engin spatial pourrait être transporté dans une « bulle », l'espace-temps se rétractant devant la bulle et s'élargissant derrière. L'onde transporterait alors la bulle d'un point à un autre plus rapidement que la vitesse de la lumière dans un espace-temps non distordu. Cependant, le vaisseau n'irait pas plus vite que la lumière à l'intérieur de sa bulle. L'utilisation de cette méthode comme moyen de transport réalisable a été critiquée. Elle suggérerait également de créer des "autoroutes" spatiales complètement vides, car la distorsion détruirait tout objet situé dans la zone de distorsion

Trous de ver[modifier | modifier le code]

L'utilisation d'un trou de ver est probablement l'option de voyage supraluminique la moins hasardeuse dans l'état actuel de la science. Un trou de ver est une distorsion de l'espace-temps qui, selon la théorie, pourrait relier deux points arbitraires de l'univers dans un pont d'Einstein-Rosen. On ne sait pas encore si l'existence de trous de vers est réellement possible. Il existe des solutions de l'équation de la relativité générale permettant l'existence de trous de vers, mais toutes les solutions connues impliquent des hypothèses — par exemple l'existence de la masse négative — qui pourraient être contraires à la physique.

Il pourrait y avoir deux types de trous de vers permettant le voyage interstellaire. Le premier type viendrait du même processus que les trous noirs : la mort d'une étoile. Des trous de vers de ce type, qui seraient assez sûrs pour que des humains les empruntent, devraient probablement être super-massifs et en rotation, à l'image de Sagittarius A* au centre de la Voie lactée ; des trous noirs plus petits produisent des forces de gravitation intenses qui détruisent tout objet macroscopique y entrant.

Un autre type de trou de ver envisagé est basé sur la gravité quantique. Certains ont supposé l'existence de trous de vers euclidiens qui apparaissent et disparaissent spontanément, qui existent à l'échelle de la constante de Planck ; on pourrait les ouvrir en utilisant de l'énergie négative, mais la quantité d'énergie requise serait immense. Il n'est pas sûr que ce soit théoriquement possible, en l'absence d'une théorie reconnue sur la gravité quantique. Une autre théorie suppose qu'il serait possible d'ouvrir des trous de vers en déchirant la mousse quantique.

Recherches[modifier | modifier le code]

Recherches de la NASA[modifier | modifier le code]

Dans son projet Breakthrough Propulsion Physics Project, clos en 2002, la NASA a identifié deux choses qui doivent arriver, ou des avancées nécessaires, pour rendre le voyage interstellaire possible[2] :

  1. un moyen de propulsion qui puisse atteindre la vitesse maximale possible.
  2. un moyen de production d'énergie embarquée capable d'alimenter ces propulseurs.

Ces avancées seraient analogues au remplacement des bateaux à voile par les bateaux à vapeur, ou des avions à hélices par les avions à réaction. La notion d'avancée signifie qu'on ne cherche pas une meilleure manière de produire un réacteur, mais une technologie entièrement nouvelle. Cela arrive quand les avantages de la technologie existante diminuent et que le besoin d'une nouvelle technologie se fait sentir.

Recherches de l'AIAA[modifier | modifier le code]

Exemple de métrique de Alcubierre montrant, diamétralement opposées, la contraction et la dilatation de deux régions de l'espace-temps propulsant la région centrale.

L'ouvrage collectif Frontiers of propulsion sciences de l'American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), publiée en février 2009, fait la synthèse des techniques spéculatives supraluminiques en cours d'étude[3]:

  1. Distorsion de l'espace-temps selon la métrique d'Alcubierre : compression à l'avant (aspiration du vaisseau) et expansion à l'arrière (poussée du vaisseau) - dans des conditions de la période de l'inflation grâce à de l'énergie négative, voire en faisant appel à l'énergie sombre
  2. Émission d'ondes gravitationnelles à hautes fréquences (HFGW) à des fins propulsives basée sur l'effet Gertsenshtein, émise par le physicien soviétique M.E. Gertsenshtein en 1962, qui décrit une résonance complexe entre onde électromagnétique et champ magnétique pour produire une onde gravitationnelle. Selon le verdict du comité Jason piloté par les services de renseignement des États-Unis, les applications des HFGW seraient impossibles.
  3. Étude d'un effet Casimir dynamique : la vibration à très haute fréquence des parois conductrices d'une nanocavité doit faire apparaître des photons. Si ce phénomène est en voie d'expérimentation, son rendement théorique serait faible selon le Pr Jordan Maclay, de l'ordre de 10^{-14} , l'accélération de 3x10^{-8} m/s^{2} ne permettant d'espérer qu'une vitesse de 10 m/s après 10 ans d'accélération continue !
  4. Manipulation locale de la gravité par la création de nouveaux champs gravitationnels. Faute de pouvoir reproduire les résultats annoncés par Eugene Podkletnov (en), la piste la plus intéressante semble celle des recherches de Dr Tajmar, soutenues par l'Agence spatiale européenne et l'United States Air Force, de créer un champ gravitationnel de type magnétique par un supraconducteur en rotation rapide.

Réalisation[modifier | modifier le code]

Le 12 septembre 2013, la NASA confirme que la sonde spatiale Voyager 1 est officiellement devenue le premier objet manufacturé ayant atteint l'espace interstellaire[4].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Par ailleurs sa vitesse moyenne pour atteindre Neptune est supérieure à celle qu'elle connaitrait à l'extérieur du système solaire car la sonde spatiale a progressivement ralenti en sortant du puits de gravité du système solaire
  2. New Horizons a bénéficié de l'assistance gravitationnelle de Jupiter qui lui a permis de gagner 4 km/s

Notes[modifier | modifier le code]

  1. (en)http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect20/A10.html
  2. NASA - Breakthrough Technologies
  3. (fr) Alexandre David Szames, « Propulsion exotique: le retour des visionnaires », Air et Cosmos, no 2182,‎ 24 juillet 2009 (ISSN 1240-3113)
  4. (en) NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space

Références[modifier | modifier le code]

  • (en) Eugene F. Mallowe, The Starflight Handbook, John Wiley & Sons, Inc, 1989 (ISBN 0-471-61912-4).
  • (en) Robert Zubrin, Entering Space : Creating a Spacefaring Civilization, Tarcher / Putnam, 1999 (ISBN 1-58542-036-0).
  • (en) Eugene F. Mallove, Robert L. Forward, Zbigniew Paprotny, Jurgen Lehmann, Interstellar Travel and Communication : A Bibliography, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 33, p. 201–248, 1980.
  • (en) Zbigniew Paprotny, Jurgen Lehmann, Interstellar Travel and Communication Bibliography : 1982 Update, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 36, p. 311–329, 1983.
  • (en) Zbigniew Paprotny, Jurgen Lehmann, John Prytz, Interstellar Travel and Communication Bibliography : 1984 Update, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 37, p. 502–512, 1984.
  • (en) Zbigniew Paprotny, Jurgen Lehmann, John Prytz, Interstellar Travel and Communication Bibliography : 1985 Update, Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 39, p. 127–136, 1986.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]