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Voyage interstellaire V : Propulsion par distorsion, trous de vers et propulsion par halo

par Matthew Williams, Universe Today

Édité par Gaby Clark, révisé par Andrew Zinin

Notes de la rédaction

L'essentiel

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Vue d'artiste d'un vaisseau spatial équipé d'un moteur à distorsion d'Alcubierre. Crédit : Limitless Space

Bienvenue à nouveau dans notre série consacrée au voyage interstellaire, dans laquelle nous examinons les nombreuses propositions formulées pour envoyer des missions vers les étoiles depuis l'aube de l'ère spatiale. Dans le premier volet, nous avons étudié comment les développements liés aux armes nucléaires et aux fusées durant la guerre froide ont accompagné les progrès de l'exploration spatiale, donnant lieu à des projets de fusées nucléaires. Nous avons ensuite analysé comment la création d'armes thermonucléaires a ouvert la voie à des applications en matière de propulsion par fusion.

Nous avons ensuite vu comment la découverte et la production de positrons et d'antiprotons ont alimenté des projets de vaisseaux spatiaux propulsés par l'antimatière. Dans le quatrième volet, nous avons abordé les options les plus réalistes pour envoyer des missions dans l'espace interstellaire, notamment les voiles solaires, les voiles magnétiques et la propulsion par énergie dirigée (DEP). Dans ce cinquième volet, nous examinerons les propositions les plus exotiques jamais formulées, susceptibles (en théorie) de permettre un jour le vol spatial interstellaire.

Comme nous l'avons vu dans un précédent article, un vaisseau utilisant des méthodes de propulsion conventionnelles mettrait des milliers d'années pour effectuer le trajet. Et bien qu'il existe des méthodes théoriques permettant de réduire la durée du voyage à quelques décennies, leur construction serait extrêmement coûteuse et nécessiterait des quantités colossales de propergol. Hélas, il existe toujours ces projets audacieux — à la frontière entre science-fiction et réalité — qui continuent de nous donner de l'espoir.

Parmi eux figurent la propulsion par distorsion, le voyage via des trous de vers et l'utilisation de trous noirs pour atteindre des vitesses proches de celle de la lumière.

Cette vue d'artiste montre la planète Proxima b en orbite autour de la naine rouge Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche de notre système solaire. Crédit : ESO/M. Kornmesser.

L'étoile la plus proche

Comme nous l'avons souligné dans le premier volet de cette série, il ne manque pas de planètes au-delà du système solaire (exoplanètes) méritant d'être explorées. À ce jour, les scientifiques ont confirmé l'existence de 6 354 exoplanètes réparties dans 4 756 systèmes stellaires. En fait, ce chiffre a augmenté depuis le début de cette série d'articles le 31 juillet. À cette époque, le recensement faisait état de 6 333 exoplanètes confirmées réparties dans 4 747 systèmes. Un rapide calcul montre que 21 exoplanètes supplémentaires, situées dans neuf systèmes stellaires, ont été confirmées en moins d'un mois.

Par ailleurs, bien que les planètes rocheuses « semblables à la Terre » soient rares — leur nombre total s'élevant toujours à 222 confirmations —, elles sont étonnamment abondantes dans notre voisinage stellaire. En effet, dans un rayon de 50 années-lumière autour de la Terre, on dénombre 31 planètes telluriques connues, dont 30 orbitent autour de naines rouges de type M (des étoiles de faible masse). La plus proche d'entre elles est Proxima b, une planète rocheuse en orbite autour de Proxima du Centaure, une naine rouge située à 4,25 années-lumière de la Terre.

Découverte en 2016, cette planète présente une température de surface estimée à -39 °C, contre 15 °C pour la Terre. Si les avis des scientifiques divergent quant à son habitabilité, certains scénarios suggèrent que Proxima b pourrait abriter la vie. Quoi qu'il en soit, la proximité de Proxima b avec la Terre en fait le choix tout indiqué pour une mission interstellaire et probablement la première étape de l'exploration humaine au-delà du système solaire (si tant est qu'elle ait un jour lieu).

Alors, que peuvent accomplir les méthodes de propulsion les plus exotiques jamais imaginées pour nous y conduire ?

Schéma annoté d'un vaisseau spatial au sein d'une bulle de distorsion, illustrant : 1) la dimension verticale (expansion de l'espace-temps), 2) l'intérieur de la bulle de distorsion et 3) la dimension négative (contraction de l'espace-temps). Crédit : Kris Holland/Matt Jeffries

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Propulsion par distorsion d'Alcubierre

Les amateurs de science-fiction connaissent bien le concept de propulsion par distorsion (ou « warp drive »). Bien que cette idée existe depuis des décennies, elle est longtemps restée cantonnée au domaine de la science-fiction et de la pure spéculation. Ce n'est qu'en 1994 qu'une proposition concrète a été formulée quant au fonctionnement possible d'une propulsion par distorsion dans le cadre de la physique connue. Cette proposition est attribuée au physicien théoricien mexicain Miguel Alcubierre, qui a présenté ce qui allait devenir la « métrique d'Alcubierre » (ou « propulsion Alcubierre ») dans le cadre de ses travaux de doctorat à l'université de Cardiff, au pays de Galles.

Alcubierre a décrit ce concept dans un article de 1994 intitulé « The warp drive: hyper-fast travel within general relativity » (La propulsion par distorsion : voyage ultrarapide au sein de la relativité générale), dans lequel il soutenait qu'il était possible de se déplacer plus vite que la lumière (FTL) sans violer la théorie de la relativité d'Einstein. Plus précisément, il a établi une distinction entre la relativité restreinte et la relativité générale.

« Lorsque nous étudions la relativité restreinte, nous apprenons que rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière », écrivait-il. « Ce fait reste vrai en relativité générale... »

dée fondamentale est plus facile à saisir si l'on songe un instant à la phase d'inflation de l'Univers primordial et à la vitesse relative d'éloignement de deux observateurs comobiles. Il est aisé de comprendre que, si l'on définit cette vitesse relative comme le taux de variation de la distance spatiale propre par rapport au temps propre, on obtient une valeur bien supérieure à la vitesse de la lumière. Cela ne signifie pas pour autant que nos observateurs se déplacent plus vite que la lumière : ils restent confinés à l'intérieur de leurs cônes de lumière locaux. Cette vitesse d'éloignement colossale résulte de l'expansion de l'espace-temps lui-même.

Puisque le vaisseau est entraîné par le mouvement (sans se déplacer par ses propres moyens), les règles habituelles de l'espace-temps et de la relativité générale ne s'appliquent pas de la même manière, car ce procédé ne repose pas sur un déplacement supraluminique au sens local. Il est qualifié de supraluminique uniquement parce qu'un vaisseau situé dans la bulle atteindrait une autre étoile avant qu'un signal transmis n'ait parcouru la même distance. Le fondement théorique de ce système de propulsion — pour lequel Alcubierre a proposé des solutions aux équations de champ d'Einstein — est connu sous le nom de métrique d'Alcubierre.

Comme l'a soutenu Alcubierre, la théorie quantique des champs autorise l'existence de régions de l'espace-temps présentant des densités d'énergie négatives. C'est ce que l'on appelle l'effet Casimir, une force attractive s'exerçant entre deux surfaces dans le vide. Si l'on parvenait à créer un « anneau » de masse négative autour d'un vaisseau spatial, l'espace-temps pourrait théoriquement se contracter à l'avant du vaisseau et se dilater à l'arrière. Comme il l'a écrit :

Grâce à une expansion purement locale de l'espace-temps derrière le vaisseau et à une contraction inverse à l'avant, un déplacement plus rapide que la lumière devient possible du point de vue d'observateurs situés hors de la zone perturbée. La distorsion qui en résulte rappelle la « propulsion par distorsion » (*warp drive*) de la science-fiction. Toutefois, tout comme pour les trous de ver, la génération d'une telle distorsion de l'espace-temps nécessiterait de la matière exotique.

SE DÉPLACER À UNE VITESSE INCROYABLE. Crédit : Limitless Space Institute

Cependant, ce concept soulève plusieurs défis théoriques. Selon l'article original d'Alcubierre, la quantité de masse négative (ou « matière exotique ») nécessaire pour créer un champ de distorsion dépassait largement les capacités actuelles de l'humanité. De nombreuses incertitudes subsistent également, notamment concernant les violations de la causalité, l'impact sur l'espace-temps au point d'arrivée et la sécurité d'un tel système pour les passagers voyageant sur cette onde. Par ailleurs, toutes les théories proposées concernant la propulsion par distorsion violent diverses conditions énergétiques.

Au cours des quinze dernières années, le moteur d'Alcubierre a suscité un regain d'intérêt, en grande partie grâce à Harold « Sonny » White, scientifique de la NASA. L'implication du Dr White a débuté en 2011, alors qu'il préparait une intervention pour le premier symposium « 100 Year Starship », un projet conjoint de la NASA et de la DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). White a choisi d'aborder les équations de champ d'Alcubierre ; au cours de ses travaux, il a effectué des calculs révélant que les besoins énergétiques pourraient, en réalité, se situer dans le domaine du possible.

En 2012, White a annoncé que lui et ses collègues du laboratoire de recherche en physique de la propulsion avancée (NASA Eagleworks) avaient commencé à étudier ce concept. Dans un article intitulé « Warp Field Mechanics 101 » (Introduction à la mécanique des champs de distorsion), White a décrit comment son équipe avait construit un interféromètre destiné à détecter les distorsions spatiales engendrées par l'expansion et la contraction de l'espace-temps propres à la métrique d'Alcubierre.

En 2013, le Jet Propulsion Laboratory a publié les résultats d'un test de champ de distorsion réalisé sous vide, qualifiés d'« non concluants ». En 2019, la NASA a effectivement mis fin à ses recherches sur la propulsion par distorsion et les systèmes de propulsion avancés après le départ de White de l'agence. Un an plus tard, White a commencé à collaborer avec des ingénieurs et des scientifiques du Limitless Space Institute (LSI), une organisation à but non lucratif vouée à l'éducation, à la vulgarisation et aux méthodes de propulsion avancée, avec pour objectif ultime de créer le premier moteur à distorsion.

Que sont les trous de vers ? Ils relient deux points de l'espace-temps. Crédit : Fraser Cain

Les recherches de White s'appuient sur les travaux de son collègue, l'astrophysicien Richard Obousy, cofondateur du projet Icarus avec l'ingénieur en vaisseaux spatiaux Kevin Long en 2009. Toujours en 2009, Obousy et son co-auteur Aram Saharian ont publié une étude intitulée « Casimir energy and the possibility of higher dimensional manipulation » (Énergie de Casimir et possibilité de manipulation de dimensions supérieures). Ils y examinaient comment les accélérateurs de particules de nouvelle génération pourraient générer des champs capables de modifier localement la densité de l'énergie noire, influençant ainsi l'expansion de l'espace-temps. Leurs calculs indiquaient également qu'une telle opération pourrait être réalisée à l'aide d'une masse négative équivalant environ à celle de Jupiter (1,898 x 10²⁴ kg ; 4,18 x 10²⁴ lb). Bien que leurs calculs aient indiqué qu'il était mathématiquement possible de générer une bulle de distorsion, l'énergie requise dépasse tout ce que l'humanité peut actuellement concevoir. Toutefois, comme White l'a expliqué à *Universe Today* lors d'un précédent entretien, lui et ses collègues chercheurs ont démontré que la prise en compte du « paramètre d'épaisseur de la coque » de la bulle de distorsion permettrait de réduire encore davantage les besoins énergétiques. En somme, une coque de distorsion plus épaisse réduirait la contrainte exercée sur l'espace-temps, ce qui

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RESUME

Voyages interstellaires V : Moteurs à distorsion, trous de ver et moteurs à halo

Certains modèles de relativité générale permettent l'utilisation de moteurs à distorsion et de trous de ver traversables, mais ces technologies requièrent une énergie ou une masse négative non confirmée et se heurtent à d'importantes contraintes de stabilité, de causalité et d'ingénierie. Les moteurs à halo pourraient exploiter la gravité des trous noirs pour atteindre des vitesses proches de celle de la lumière, mais exigent une précision extrême, un blindage efficace et un accès préalable à un trou noir approprié. Toutes ces technologies restent encore théoriques.

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COMME?TAITRS

Certaines remarques de cet article sont a considerer  comme de la science fiction ,notamment les trous bblancs !