a 4 dimensions dans la th´eorie de la relativit´e g´en´erale formul´ee par Albert Einstein en 1915.
17. Les interactions forte, faible et ´electromagn´etique sont aujourd’hui unifi´ees dans une seule et mˆeme th´eorie, le mod`ele standard (SM). Elles sont toutes comprises comme une seule et mˆeme interaction grˆace `a la m´ecanique quantique. La gravit´e, elle, pose probl`eme du fait mˆeme de sa formulation en terme g´eom´etrique.
La M-theory de Ed. Witten ou les boucles quantiques de gravitation offrent des pistes pour cette ultime unification.
2 Une des d´ ecouvertes majeures de Voyager : les glaces d’Europe.
2.1 L’observation d’Europe au cours du temps.
18. L’oeil emm´etrope ou normal voit nettement entre le Punctum Remotum situ´e `a l’infini et le Punctum Proximum situ´e `a 25 cm (environ) en avant de l’oeil.
La r´esolution angulaire de l’oeil (li´ee `a la taille des cellules de la r´etine) est de l’ordre de 1’ soit αmin = 3.10−4 rad.
19. La lunette de Galil´ee est afocale, donc l’image d’un objet `a l’infini donne par la lunette une image `a l’infini.
A=∞ lunette→ A0 =∞.
En d´etaillant cette relation pour chacune des lentilles de la lunette : A=∞ →L1 A1 =F10 =F2 →L2 A0∞
Le foyer objet de la seconde lentille doit ˆetre confondu avec le foyer image de la premi`ere len-tille.
Donc f20 =−(980−932) =−48 mm, valeur proche de 47,5 mm annonc´ee dans le texte.
20. Ici, les diaphragmes servent essentiellement `a respecter les conditions de Gauss, i.e. `a ne conser-ver que des rayons paraxiaux.
Ils peuvent aussi am´eliorer la profondeur de champ.
21. G= αα0 = A1fB0 1 1 .A|f20|
1B1 = |ff200|
1 = 27,9805 '20,6 valeur proche du grossissement de 21 annonc´e dans le texte.
6
Figure 2 – Lunette de Galil´ee.
22. Vu depuis la Terre, la taille angulaire d’Europe est α0 ' 2.RD E
T J '4.10−6 rad.
A travers la lunette, la taille d’Europe est donc` α0 '21.4.10−6 '8,4.10−5 rad.
α0 < αmin donc Galil´ee voyait Europe comme un objet ponctuel.
23. (QP) Il faut expliquer `a l’´el`eve que le mouvement per¸cu est dˆu `a la rotation de la Terre sur elle-mˆeme, ce qui donne l’impression que l’´etoile bouge.
Une ´etoile ´equatoriale donne l’impression de tourner de 360◦ = 216000 en 24 h= 86400 s, soit 4,10.10−3 degr´e par seconde de temps ou 0,25 minute d’arc par seconde de temps.
D’o`u le r´esultat.
Remarque : Le site a chang´e d’adresse http ://www.astro−gresivaudan.f r/ et plus aucune trace de ce post.
24. Un titre en gros caract`ere est ´ecrit avec des lettres dont la taille est de l’ordre de 5 cm, soit une r´esolution angulaire αmin V oyager ' 5.10103−2 '5.10−5 rad.
Avec la lunette de Galil´ee, l’oeil a une r´esolution de αmin Galilee ' 3.1021−4 ' 1,4.10−5 rad, r´esolution du mˆeme ordre de grandeur ou l´eg`erement meilleure que la cam´era de Voyager (L’oeil est une merveille technologique).
N´eanmoins Voyager s’est approch´e plus pr`es d’Europe et a envoy´e des clich´es riches en infor-mation.
25. La r´esolution angulaire d’Hubble, capable de d´etecter des geysers d’eau de h'200 km de haut vaut donc αmin Hubble' Dh
T J '2,8.10−7 rad, ce qui est la meilleure r´esolution.
2.2 Quelques caract´ eristiques de la trajectoire d’Europe.
26. Les distances minimale et maximale Jupiter Europe sont proches, de 664 800 km `a 671 100 km, la variation relative est de l’ordre de 1%, la trajectoire d’Europe peut, en premi`ere approxima-tion, ˆetre suppos´ee circulaire autour de Jupiter avec rayonDJ E = 664 800+671 100
2 = 667 950 km.
7
L’application de la seconde loi de Newton (Principe Fondamental de la Dynamique) `a Europe suppos´ee ponctuelle dans le r´ef´erentiel Jupiterocentrique suppos´e galil´een donne :
ME.~aE =−GMDE2.MJ J E
~ur.
La projection sur~uθ permet de retrouver que la rotation est uniforme.
La projection sur~ur conduit `av0 =q
G.MJ
DJ E '1,38.104 m.s−1 Cette application num´erique peut ˆetre confirm´ee parv0 = 2πDτ0J E
J
= 1,37.104 m.s−1 27. Em =EC+EP = 12mv02−GMDE.MJ
J E =−GM2.DE.MJ
J E =−EC = E2P. Ce r´esultat peut ˆetre g´en´eralis´e par le th´eor`eme du Viriel.
28. Les dur´ees du jour et de l’ann´ee d’Europe sont identiques. Europe pr´esente donc toujours la mˆeme face `a Jupiter, comme la Lune pr´esente toujours la mˆeme face `a la Terre. Ceci est dˆu aux effets des forces de mar´ee.
29. La trajectoire elliptique est un ´etat li´e, ce qui correspond `a une ´energie m´ecanique n´egative.
Em <0.
30. Cf. figure 3
Figure 3 – Trajectoire elliptique. Jupiter est en O.
31. rmin = 1+ep et rmax = 1−ep
32. rmin =DJ E min et rmax =DJ E max
D’o`u e'4,67.10−3 (valeur petite devant 1) et p'668 000 km.
33. Hypoth`ese d’une r´epartition de masse `a sym´etrie sph´erique dans Europe.
Premi`ere r´esolution : par analogie avec l’´electrostatique, ´etude des sym´etries sph´eriques et in-variances puis application du th´eor`eme de Gauss,
8
~g(M) =−GMR2E E
~ ur. Seconde r´esolution :
L’objet `a sym´etrie sph´erique cr´ee, d’apr`es le th´eor`eme de Gauss, un champ de gravitation ana-logue `a un objet ponctuel au centre de gravit´e de l’objet et dont la masse est la masse totale de l’objet.
2.3 Etude de l’eau sur Europe. ´
34. La fronti`ere ”eau solide / eau liquide” a une pente n´egative, ce qui est tr`es rare. Ceci est li´e au fait que la glace flotte sur l’eau liquide, ce qui est l`a aussi tr`es rare. En g´en´eral, le solide coule dans son liquide. (La formule de Clapeyron fait le lien entre les deux remarques.)
35. Une pression minimale de 6,15.10−3 bar est n´ecessaire pour avoir de l’eau liquide.
36. La pression `a la surface d’Europe est de 10−6 Pa, l’eau liquide ne saurait ˆetre stable `a la surface d’Europe. L’eau liquide se vaporise donc (d’o`u les Geysers observ´es par Hubble).
Et compte tenu de la temp´erature de 100 K, l’eau est sous forme glace.
N´eanmoins, sous l’´epaisse couche de glace, la pression est plus forte et l’eau liquide peut exister.
37. En r´egime stationnaire, on peut utiliser la notion de r´esistance thermique, qui de mani`ere approch´ee s’´ecrit :R ' λ14πRe2
E (ici la g´eom´etrie sph´erique n’est pas prise en compte careRE).
En prenant e'10 km, la puissance thermique est ΦT =PT = Teau liqR−Tatm '5.1011W.
N.B : Il n’est pas n´ecessaire de faire explicitement r´ef´erence `a la r´esistance thermique.
En revenant `a la d´efinition du flux et la loi de Fourier : ΦT =RR
sphere~j.d~S 'λTeau liqe−Tatm.4πR2E 38. Pnucl Europe =Pnucl T erre.MME
T '44.1012.5.106.102224 '4.1011 W, ce qui est globalement le mˆeme ordre de grandeur. Il n’est donc pas possible de conclure dans cette situation et d’exclure la possibilit´e d’un coeur radioactif.
Remarque : le calcul pr´esent´e ici surestime cette puissance. L’´etude plus compl`ete de la masse volumique de l’astre montre que si la plan`ete poss´edait un coeur radioactif, ce qui n’est pas sˆur, alors celui-ci produirait une puissance de l’ordre de 108 `a 109 W, ce qui a amen´e les scientifiques
`
a chercher d’autres hypoth`eses pour l’apport d’´energie.
39. La force de mar´ee est une force diff´erentielle, li´ee au caract`ere non galil´een du r´ef´erentiel Europo-centrique, en translation quasi circulaire dans le r´ef´erentiel Jupitero-centrique. Elle trouve son origine dans la diff´erence entre l’attraction de Jupiter entre un point `a la surface d’Europe et l’attraction au centre de gravit´e d’Europe (qui apparaˆıt via la force d’inertie d’entraˆınement).
L’´egalit´e du jour et de l’ann´ee sur Europe est une manifestation de l’importance de l’effet de mar´ee (la plan`ete est tr`es proche de Jupiter, son attracteur).
9
40. Il faudrait envisager un bilan radiatif de l’astre :
PT0 =σTatm4 .4πR2E '1014 W puissance rayonn´ee (corps noir) de la plan`ete.
mais il faudrait aussi estimer la puissance du Soleil (directement et par r´eflexion sur Jupiter).
Il faudrait donc connaˆıtre l’albedo de la plan`ete Jupiter et d’Europe.