07/01/25 Atteindrons nous les étoiles ?

La question de la capacité humaine à atteindre les étoiles reçoit une réponse directe : non, du moins dans l'immédiat. Cette impossibilité repose sur des raisons fondamentales de physique. Depuis les années 1950, l'humanité a étendu son exploration dans le Système Solaire, envoyant des fusées qui ont permis de visiter les planètes, les astéroïdes et les comètes. Des missions récentes, comme BepiColombo qui effectue son freinage gravitationnel autour de Mercure, ou la mission Juice en route vers Jupiter, témoignent de cette activité. Cependant, les distances à parcourir restent considérables, même au sein de notre voisinage immédiat.

Pour illustrer l'ampleur du Système Solaire, une analogie basée sur la taille relative des corps est souvent utilisée, bien que les distances relatives ne soient pas respectées dans cette représentation. Si le Soleil était réduit à une bille d'un centimètre de diamètre, la Terre deviendrait un point d'impression d'à peine 0,1 millimètre, située à un peu plus d'un mètre de cette bille solaire. À cette échelle, Neptune, la huitième planète, se trouverait à environ 30 mètres. L'étoile la plus proche, Proxima du Centaure, se situerait alors à près de 269 kilomètres de distance, soulignant l'échelle métrique gigantesque des voyages interstellaires.

Les sondes qui ont quitté le système solaire, comme Voyager 1, sont actuellement les objets les plus éloignés. Voyager 1 se situe à environ 165 unités astronomiques (UA), soit 165 fois la distance Terre-Soleil. Ces sondes atteignent une vitesse terminale d'environ 17 km/s. Si une telle sonde visait directement Proxima du Centaure, le voyage prendrait 20 000 fois la durée du trajet de la lumière, soit environ 80 000 ans pour l'aller simple, sans compter le temps pour recevoir la réponse.

La sortie du système solaire est définie matériellement par le franchissement de l'héliopause, la limite où la pression du vent solaire s'équilibre avec la pression du milieu interstellaire. Voyager 1 a traversé cette limite en juillet 2012, passant du milieu solaire au milieu extérieur. Il existe une limite gravitationnelle, estimée à environ 1,5 année-lumière, où l'influence gravitationnelle d'une autre étoile pourrait devenir significative, définissant potentiellement la limite du nuage d'Oort.

Les corps transneptuniens, comme Pluton, sont physiquement liés au système solaire, orbitant au-delà de Neptune, entre 30 et 60 UA. Cependant, même pour atteindre le nuage d'Oort, situé à environ une année-lumière, il faudrait atteindre des vitesses bien supérieures à celles des sondes actuelles, soit des centaines d'années-lumière de voyage.

Pour atteindre des vitesses significatives, il faut s'appuyer sur le principe de propulsion par réaction, formalisé par Constantin Tsiolkovski dès les années 1890. Le concept repose sur l'éjection d'une petite masse (DM) à très grande vitesse pour conférer un gain de vitesse à la masse principale (la fusée restante). Ce bilan est régi par la quantité de mouvement, qui doit être traitée de manière relativiste lorsque les vitesses d'éjection approchent la vitesse de la lumière (c).

L'équation de Tsiolkovski relativiste montre que tenter d'augmenter la vitesse terminale (V) en augmentant massivement la masse initiale (carburant) est inefficace. Le logarithme naturel dans l'équation pénalise fortement l'ajout de carburant supplémentaire nécessaire pour emporter le carburant initial. Même en utilisant toute la masse de l'univers observable comme carburant éjecté à la vitesse typique des fusées chimiques, la vitesse finale n'atteindrait qu'environ 1900 km/s, ce qui est insuffisant pour un voyage interstellaire rapide.

Il ne faut pas chercher à avoir une masse énorme de carburant et une masse finale aussi petite. C'est un mauvais plan.

La solution réside dans l'augmentation de la vitesse d'éjection (u). Cette vitesse est directement liée à l'énergie extraite de la masse transformée en énergie selon $E=mc^2$. Les réactions chimiques ont une perte de masse minime (environ un milliardième), fournissant des vitesses d'éjection d'environ 3 à 5 km/s. Les réactions nucléaires (fission/fusion) ou matière-antimatière dégagent beaucoup plus d'énergie par masse convertie, permettant des vitesses d'éjection atteignant 4%, 9% ou même 80% de la vitesse de la lumière.

Des études d'ingénierie ont exploré ces concepts. Le projet Daedalus, imaginé par la British Interplanetary Society, visait l'étoile de Barnard. Ce vaisseau, avec une charge utile de 450 tonnes, devait atteindre 12% de la vitesse de la lumière, nécessitant un voyage de 50 ans pour l'aller simple (accélération puis décélération). Ce projet nécessitait de moissonner de l'Hélium 3 sur Jupiter, soulignant la nécessité d'une industrialisation massive dans le Système Solaire avant toute tentative interstellaire.

La puissance motrice estimée pour Daedalus était de 37 TW, soit l'équivalent de deux fois la consommation énergétique annuelle de l'humanité, maintenue pendant deux ans uniquement pour l'accélération. Cela met en perspective l'ampleur des ressources nécessaires, qui doivent être produites et assemblées en orbite, car un tel engin ne pourrait être lancé depuis la Terre.

Le vaisseau Venture Star, issu du film Avatar, représente un concept plus avancé, fonctionnant probablement à l'antimatière, ce qui lui permet de tendre vers les deux tiers de la vitesse de la lumière. Pour un voyage de 4,37 années-lumière vers Pandora, le temps subjectif du voyage est d'environ 5 ans et 9 mois. L'analyse montre que ce rapport de masse initiale/finale est faible (environ 3:1) grâce à l'efficacité de l'annihilation matière-antimatière.

Le principal obstacle technique pour le Venture Star réside dans la production et le stockage d'un kilogramme d'antimatière, alors que les installations actuelles du CERN ne produisent que des milliardièmes de gramme par an. De plus, le coût énergétique pour produire cette quantité est colossal, même si le rapport de masse est favorable.

Lorsque des vitesses approchant $c$ sont atteintes, les effets de la relativité restreinte deviennent prépondérants. Le temps mesuré par les passagers du vaisseau n'est plus le même que celui mesuré par les observateurs restés sur Terre. Pour le Venture Star, le décalage temporel est de l'ordre de deux ans : 5 ans et 9 mois subjectifs contre environ 7 ans terrestres pour le trajet aller simple.

Au-delà de la dilatation du temps, les voyageurs subissent l'effet Doppler relativiste, modifiant la couleur des étoiles observées (décalage vers le bleu si approche, vers le rouge si éloignement). L'aberration des angles modifie également la direction perçue des sources lumineuses. À haute vitesse, les étoiles semblent se concentrer dans la direction du mouvement, ce qui signifie que les hublots avant deviennent des zones de danger maximales en raison de l'impact des particules du milieu interstellaire.

Ce qui compte c'est à la fois l'énergie et le débit d'énergie, le rythme auquel vous fournissez l'énergie, et donc la puissance.

L'analyse d'un voyage aller-retour vers M31 (Andromède), effectué en 50 ans de temps propre (subjectif) avec une accélération constante de 1g, révèle l'impact extrême de la relativité. Bien que les passagers ne vieillissent que de 50 ans, le temps écoulé sur Terre serait d'environ 5,1 millions d'années. Ce type de calcul, bien que théorique, démontre que les voyages interstellaires rapides ne sont pas seulement une question de technologie, mais aussi de rupture temporelle avec la civilisation d'origine.