L’Eclipse de 1919: le centenaire d’une vision nouvelle de l’univers.

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1 L’Eclipse de 1919: le centenaire d’une vision nouvelle de l’univers.
J.A. de Freitas Pacheco Observatoire de la Côte d’Azur – Laboratoire Lagrange

2 Plan de la Présentation
La gravitation – précurseurs Les visions du monde de Newton et Einstein Arthur Eddington, l’arbitre L’éclipse de 1919 (Sobral et l’île du Principe) Epilogue

3 Quelques Précurseurs

4 Mousa-ben-Schakir et ses trois fils à Bagdad:
Mohammed, Ahmed et Hassan (tous astronomes) Mohammed contredit Aristote affirmant que ‘’les sphères célestes sont soumises aux mêmes lois physiques observées sur Terre’’.  Il propose l’existence d’une force d’attraction entres les corps célestes Jafer Mohammed ben Mousa ben Schakir IXème siècle  Voir: Robert Briffault, ‘’The Making of Humanity’’ (p. 191) et Josef W. Meri, ‘’Medieval Islamic Civilization an Encyclopedia’’, vol II, pp 343

5 Bullialdus Ismaël Bullialdus (cité par Newton dans les ‘’Principia’’) – Le soleil soleil exerce exerce une force attractive dans aphélie et répulsive dans le périhélie (‘’Astronomia Philolaica’’, 1645) Giovanni Borelli – idées similaires, mais le soleil exerce toujours une force attractive (1666) Edmond Halley est arrivé à une force attractive qui varie avec l’inverse du carré de la distance (24 février 1684) – Il a admis une o orbite circulaire et que la force centrifuge décrite par Christian q Huygens devrait s’opposer à la force attractive F du soleil En utilisant la 3ème loi de Kepler  on obtient Halley Halley et Christopher Wren (cité par Newton) ont discuté avec Newton (1694) la forme de l’orbite d’une planète sous l’action de telle force. Newton affirma que serait une orbite elliptique mais sans présentation d’une preuve. Cela se fait 3 mois plus tard avec le manuscrit ‘’De Motu Corporum in Gyrum’’ (solution géométrique, si bien que, plus tard; il affirma avoir utilisé le ‘’calcul’’ – dispute avec Leibnitz)

6 Robert Hooke Collaborateur de Robert Boyle (1655) – développement d’une machine pneumatique – des expériences avec l’air – il en résulte une théorie de la combustion. Secrétaire de la Royal Society of London (1678) correspondance intense avec les membres de la Société Inventeur – régulateur d’une pendule, la jointe universelle, le thermomètre à alcool (zéro = point de fusion de la glace), un système de télégraphie optique, le baromètre spiral Plans de la reconstruction de Londres (avec Wren) après l’incendie de 1666 Comme astronome – amélioration du telescope (système Grégorien), étude des tâches solaires, tâche rouge de Jupiter (1664), zones sombres de la Lune Comme physicien – la structure des cristaux et de la lumière (précurseur de Fresnel, débat avec Newton), loi de Hooke (élasticité), attraction entre le Soleil et les planètes (force en 1/r2) Comme biologiste – construction d’un microscope, description de la structura des plantes et insectes (Micrographia, 1665), créateur du concept de ‘’cellule’’

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9 Hooke et la loi 1/r2 Avant 1665, Hooke semble ne pas connaître comment la force d’attraction varie avec la distance. Pourtant, en 1680 il suggère à Newton le calcul de l’orbite d’un corps soumis à une force centrale et qui varie comme 1/r2 Ce sont les études comparatifs des volumes d’une atmosphère ‘’plane’’ avec celui d’une autre étendue qui mènent à une loi en 1/r2 ( Micrographia ,1665) Dans le cas d’une atmosphère plane, la force exercée par couche de gas sous l’action de la gravité est (densité uniforme) Dans le cas d’une atmosphère étendue (rat >> RT) Résultat contraire à ces expériences sur la pression atmosphérique si  il en résulte 

10 Le temps et l’espace selon Newton
‘’Absolute, true and mathematical time, of itself, and from its own nature flows equably without regard to anything external, and by another name is called duration: relative, apparent and common time, is some sensible and external (whether accurate or unequable) measure of duration by the means of motion, which is commonly used instead of true time ...’’ Selon Newton, le temps absolu existe indépendamment de l’observateur et s’écoule de forme imperceptible. Nous percevons seulement le temps relatif, i.e., associé au mouvement des objets qui nous entourent (mouvement de la Lune, des planètes,…) ‘’Absolute space, in its own nature, without regard to anything external, remains always similar and immovable. Relative space is some movable dimension or measure of the absolute spaces; which our senses determine by its position to bodies: and which is vulgarly taken for immovable space ... Absolute motion is the translation of a body from one absolute place into another: and relative motion, the translation from one relative place into another ..’’ Pour Newton, le temps et l’espace absolus ne dépendent pas des évènement physiques, car ils existent en soi.

11 Newton Mach Mouvement circulaire autour d’un axe de deux sphères éloignées mais liées par une corde. Débat sur les systèmes non-inertiels Newton - le mouvement absolu peut être détecté par la tension qu’apparait dans la corde que lie les sphères Ernst Mach – la tension dans la corde est une conséquence de la présence des masses distantes (ou de l’univers en soi) – Pour Mach, une particule isolée aurait une masse nulle

12 Gravitation – Action à Distance?
"That one body may act upon another at a distance through a vacuum without the mediation of anything else, by and through which their action and force may be conveyed from one another, is to me so great an absurdity that, I believe, no man who has in philosophic matters a competent faculty of thinking could ever fall into it.“ Newton croyais que la transmission de la gravitation s’effectuerait travers l’Ether (pas l’éther ‘’luminifère’’) car il imaginait que ce milieu remplissait tout l’univers, comme Descartes et Huygens l’avait suggéré (‘’gravitation is conveyed by a swirling aether-fluid’’…) Dans son traité d’optique (‘’Optiks’’), Newton propose un modèle de gravitation, que serait une conséquence d’un ‘’ indice de réfraction variable’’ de l’éther. Il montre qu’un gradient gravitationnel peut modifier la vitesse de particules en choute libre (on peut, avec la théorie d’Einstein, décrire la trajectoire d’un rayon lumineux comme si les corps modifiaient l’indice de réfraction du ‘’vide’’)

13 Précurseurs de la Relativité Générale
(Voir l’ouvrage de Jean-Paul Auffray)

14 La base de la théorie d’Einstein - Le Principe d’Equivalence
Deux systèmes référentiels, un dans la présence d’un champs gravitationnel constant et un autre accéléré uniformément sont équivalents Cela équivaut à dire que la masse inertielle e la masse gravitationnelle sont équivalentes Masse gravitationnelle Masse inertielle

15 Teste du Principe d’Equivalence
Microscope Avril 2016 P. Touboul, G. Métris et al. arXiv:

16 L’équivalence entre les deux repaires permet de prévoir qu’un rayon de lumière se courbera en présence d’un champs gravitationnel Un premier calcule approché d’Einstein date de juin 1911 “Sur l’influence de la gravitation dans la propagation de la lumière” (Il y a un erreur d’un facteur 2!) Collaboration avec Marcel Grossmann Les équation finales de la théorie ont été publiées en novembre 1915

17 Contraire aux idées de Newton, l’espace d’Einstein n’est pas immuable
L’espace peut se dilater (expansion observée de l’Univers) ou se contracter L’espace peut se déformer par la rotation d’un corps (vérifié par Gravity-B) Les déformations de l’espace temps peuvent se propager (ondes gravitationnelles, récemment détectées par Virgo et Ligo, générées par la fusion de deux trous noirs.

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19 Arthur Stanley Eddington
Né en 1882 (Angleterre) – d’une famille quaker pacifiste; il n’a pas fait la 1a Grande Guerre. Comme conséquence, il a pu tester la théorie d’Einstein (il a pris connaissance en 1916, par les articles d’Einstein et de Willem de Sitter, fournis par la Royal Astronomical Society) Eddington a voyagé au Brésil (Passa Quatro – MG) pour l’éclipse de 10/10/1912 – étude du ‘’coronium’’ (Fe XIV) Les contributions scientifiques les plus importantes La limite d’Eddington – luminosité maximale permise pour la stabilité de l’atmosphère d’une étoile Relation M-L pour les étoiles de la séquence principale (‘’The Internal Constitution of Stars’’) et le développement d’une théorie pour étoiles variables du type Céphéide Il a compris, après les travaux de Francis Aston, que l’énergie des étoiles est d’origine ‘’subatomique’’ (nucléaire) Développement des aspects mathématiques de la Relativité Générale

20 La géométrie d’un rayon lumineux
 = angle entre l’image et la direction observateur-lentille  = angle entre la source et la direction observateur-lentille  = angle de déviation DS = distance entre l’observateur et la source de lumière DLS = distance entre la lentille et la source Equation de la Lentille 2 - TN 4 - TGR L Dans le système solaire

21 Superposition d’images d’étoiles détectées près du Soleil pendant un éclipse et quelques mois plus tard, avec le Soleil dans une autre position. La déviation due à l’effet Einstein est nettement visible.

22 L’éclipse de Sobral (29 mai 1919)
Frank Dyson La Royal Astronomical Society, par son président et directeur du Royal Greenwich Observatory, Frank Watson Dyson a organisé des expéditions à l’île de Principe (cote ouest de l’Afrique) et à Sobral (Brésil). Eddington était chargé des missions et il est parti pour l’île de Principe, où des conditions météo plus favorables étaient prévues. Durée prévue pour l’éclipse – 6m51s

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24 Musée National d’Histoire Naturelle (Smithsonian Institute)
Harlow Shapley Herber Curtis Le Grand Débat (26 avril 1920) Musée National d’Histoire Naturelle (Smithsonian Institute) Shapley – les ‘nébuleuses’ (galaxies) sont des objets proches Curtis – les ‘nébuleuses’ sont similaires à la Voie Lactée et se trouvent éloignées

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26 L’instrumentation de la RAS utilisé à Sobral pour la mesure de l’effet Einstein
On peut voir le cœlostat et l’objectif de la lunette de 40 cm destinée à acquérir les images

27 Un autre expérience, destinée à l’observation de la couronne solaire et les protubérances

28 Des astronomes de l’Observatoire National de Rio de Janeiro, qui préparent leurs instruments pour observer la couronne solaire pendant l’éclipse de 1919, mission coordonnée par Henrique Morize

29 Protubérance observée pour l’occasion de l’éclipse de mai 1919 dans plaques photographiques obtenues par Henrique Morize, directeur de l’Observatoire National de Rio, (connue dans les livres d’histoire de l’astronomie comme ‘’protubérance tamanoir’’).

30 Daniel Wise, astronome de la Carnegie Institution responsable de la mission des EUA à Sobral.
Objectifs de la mission: étude des effets de l’éclipse dans la transmission d’ondes radio et variations des propriétés de l’ionosphère. Image de l’éclipse obtenue par Wise

31 Des instruments de l’Institution Carnegie (USA) à Sobral, sous la responsabilité de Daniel Wise, pour des mesures des variations ionosphériques pendant l’éclipse

32 Chercheurs brésiliens et des missions étrangères présents à Sobral – Indiqué par la flèche, le brésilien Lélio Gama, un des fondateurs do CNPq, future directeur de l’IMPA et de l’Observatoire National de Rio de Janeiro.

33 Champs stellaire pour l’éclipse de 1919

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35 Moindres carrés Einstein Newton

36 Eclipse Lieu Résultat 29 Mai 1919 Principe 1.160.40 Sobral 1.98±0.12
21 Octobre 1922 Australie 1.77±0.40 1.79±0.37 1.72±0.15 1.82±0.20 09 Mai 1929 Sumatra 2.240.10 19 Juin 1936 URSS 2.73±0.31 Japon 1.71±0.43 20 Mai 1947 Bocaiuva (MG) 2.01±0.27 25 Février 1952 Sudan 1.70±0.10 30 Juin 1973 Mauritanie 1.660.19 Résultat pour l’île de Principe (1919), basé dans une seule étoile Eclipse de 1947, expédition de la National Geographic Society Résultat obtenu par l’observation de milliers de quasars avec la technique VLBI 

37 Epilogue Les observations de l’éclipse de 1919 ont confirmé les idées d’Einstein, qui nous offrent une vision nouvelle de l’univers, différente de celle résultant de la théorie Newtonienne. La géométrie de l’univers est déterminée par la distribution de la matière/énergie et de son état dynamique. Les corps suivent des trajectoires géodésiques définies par la géométrie, n’ayant pas des forces avec une action à distance. Le temps n’est pas absolu, car il dépend localement de la courbure de l’espace. Celui-ci, au contraire le la conception Newtonienne, n’est pas immuable, mais il peut se dilater (se contracter) ou se déformer par la traînée de la rotation d’un corps. Les déformations espace-temporelles se propagent (ondes gravitationnelles) et ont été détectées en accord avec les prédictions d’Einstein. Malgré ses succès, la théorie possède des points faibles comme la présence de singularités passés (“big bang”) ou futures (trous noirs), demandant une quantization comme propose la Gravité Quantique de Boucles (Loop Quantum Gravity).

38 Eclipse de 12 Novembro 1966 – Bagé (RGS)

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40 Eclipse du 12/11/1966 à Bagé Image prise par J.Ducati, astronome de l’Université du Rio Grande do Sul (Porto Alegre) Au moins 4 étoiles sont visibles (signalées par les flèches) dans l’image. L’erreur des mesures était trop important car les étoiles sont trop éloignées du soleil.

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