Astronomie

Est-ce que chaque objet de l'Univers a de la gravité ? L'espace n'a pas de gravité, pourquoi ?

Est-ce que chaque objet de l'Univers a de la gravité ? L'espace n'a pas de gravité, pourquoi ?

Mon professeur de sciences m'a dit que chaque objet de l'Univers a de la gravité mais que l'espace fait aussi partie de l'Univers, donc, pourquoi l'espace n'a-t-il pas de gravité ?


Une recherche rapide sur google, vous trouverez ceci:

La gravité fait que chaque objet attire tous les autres objets vers lui. Certains pensent qu'il n'y a pas de gravité dans l'espace. En fait, une petite quantité de gravité peut être trouvée partout dans l'espace. La gravité est ce qui maintient la Lune en orbite autour de la Terre.

Pourquoi est-ce? C'est parce que:

L'espace extra-atmosphérique est l'approximation connue la plus proche d'un vide parfait. Il n'a effectivement aucune friction, permettant aux étoiles, planètes et lunes de se déplacer librement le long de leurs orbites idéales. Cependant, même le vide profond de l'espace intergalactique n'est pas dépourvu de matière, car il contient quelques atomes d'hydrogène par mètre cube.

S'il y a de la matière dans l'espace, cela rend donc cette déclaration valide.

Oui, tout ce qui a une masse provoquera une attraction gravitationnelle sur d'autres objets.


Dans le milieu intergalactique - les régions les plus diluées de l'Univers entre les galaxies - comme l'écrit CipherBot, vous trouverez environ un hydrogène par mètre cube, c'est-à-dire que la densité est de $sim10^{-6},mathrm{atomes} ,mathrm{cm}^{-3}$, ou $sim10^{-30},mathrm{g},mathrm{cm}^{-3}$, soit, en termes d'énergie ( puisque la masse et l'énergie sont équivalentes par $E=mc^2$), $sim10^{-9},mathrm{erg}^dagger$. En plus de cela, vous trouverez 5 à 6 fois plus de matière noire.

L'espace lui-même ne peut pas vraiment être considéré comme "un objet". Néanmoins, même en ignorant la matière normale et noire, l'espace a de l'énergie : la soi-disant énergie noire. Nous ne savons pas grand-chose à son sujet, mais nous pouvons mesurer sa présence à travers son effet sur l'expansion de l'Univers. Mais alors que la matière normale et noire ralentit cette expansion, l'énergie noire a l'effet inverse d'accélérer l'expansion. Et puisque la densité d'énergie de l'énergie noire est plus du double de celle des deux autres composants réunis, elle domine en fait la dynamique de l'Univers.

Donc, à cet égard, vous pouvez dire que l'espace a de la gravité, bien que ce soit une "gravité négative". Cette formulation est cependant un peu mal interprétée. L'énergie noire est considérée comme négative pression. La pression a une densité d'énergie associée à is, donc la pression négative a une densité d'énergie négative.

$^poignard$$1,mathrm{erg}equiv10^{-7},mathrm{Joule}$.


Quête cosmique : les bases de l'astronomie

Qu'est-ce qui maintient les galaxies ensemble ? Pourquoi l'univers continue-t-il de s'étendre depuis le Big Bang et s'effondrera-t-il un jour à nouveau dans un grand resserrement ? Les cosmologistes - les scientifiques qui étudient la structure à grande échelle de l'univers - posent ce genre de questions. Voici quelques réponses qu'ils ont trouvées et certains domaines où ils sont encore dans le noir.

La gravité est partout. Il maintient nos pieds fermement ancrés au sol, il maintient les planètes en orbite autour du Soleil et il empêche les étoiles et les galaxies de s'envoler. Fondamentalement, la gravité maintient l'univers ensemble. C'est aussi la plus mystérieuse des forces de la nature.

En 1929, l'astronome Edwin Hubble a découvert que d'autres galaxies s'éloignaient de notre galaxie, la Voie lactée. En fait, plus la galaxie est éloignée, plus elle recule vite.

La matière noire et le destin de l'univers

Seulement 10 pour cent de l'univers rayonne de lumière, les 90 pour cent restants nous sont invisibles. Cette "matière noire" est vitale pour notre compréhension du destin de l'univers Lire la suite

Qu'est-ce qui maintient les galaxies ensemble ? Pourquoi l'univers continue-t-il de s'étendre à partir du Big Bang et s'effondrera-t-il un jour à nouveau dans un grand resserrement ? Les cosmologistes - les scientifiques qui étudient la structure à grande échelle de l'univers - posent ce genre de questions. Voici quelques réponses qu'ils proposent et certains domaines où ils sont encore dans le noir.

Les mystères de la gravité

La gravité est partout. Il maintient nos pieds fermement ancrés au sol, il maintient les planètes en orbite autour du Soleil et il empêche les étoiles et les galaxies de s'envoler. Fondamentalement, la gravité maintient l'univers ensemble. C'est aussi la plus mystérieuse des forces de la nature.

L'univers en expansion

En 1929, l'astronome Edwin Hubble a découvert que d'autres galaxies s'éloignent de notre galaxie, la Voie lactée. En fait, plus la galaxie est éloignée, plus elle recule vite.

La matière noire et le destin de l'univers

Seulement 10 pour cent de l'univers rayonne de lumière, les 90 pour cent restants nous sont invisibles. Cette "matière noire" est vitale pour notre compréhension du destin de l'univers. Sans assez de matière noire pour mettre les "freins gravitationnels", l'expansion cosmique continuera à éclaircir l'univers pour toujours.

Trou noir

Conception d'artiste d'un trou noir.

Comprendre la gravité

La gravité est ce qui maintient l'univers ensemble. Il empêche les galaxies de s'envoler, les planètes en orbite autour du Soleil et nos pieds fermement sur terre. Mais nous n'avons pas toujours su ce qu'est la gravité. Dans une certaine mesure, c'est encore un mystère.

Le monde selon Newton

En 1687, Sir Isaac Newton a prouvé que la gravité est la force d'attraction mutuelle entre toutes les masses de l'univers et qu'elle s'étend à l'infini dans l'espace mais s'affaiblit avec la distance.

Pour nous, l'objet le plus massif qui soit est la planète sur laquelle nous vivons. La masse de la Terre est d'environ 6 000 milliards de milliards de kilogrammes, soit "6" suivis de 24 zéros. Cette masse produit beaucoup de force gravitationnelle et toute cette gravité tire vers le centre de la Terre. C'est pourquoi, peu importe où vous vivez sur Terre, vous pouvez tomber de la gravité " inférieure " qui vous tire toujours vers le centre de la Terre.

La gravité tire également la Lune vers la Terre. Mais à cause de son mouvement orbital, la Lune ne frappe pas la Terre, elle tombe essentiellement autour d'elle. De même, Newton a conclu que la gravité du Soleil attire Lire la suite

La gravité est ce qui maintient l'univers ensemble. Il empêche les galaxies de s'envoler, les planètes en orbite autour du Soleil et nos pieds fermement sur terre. Mais nous n'avons pas toujours su ce qu'est la gravité. Dans une certaine mesure, c'est encore un mystère.

Le monde selon Newton

En 1687, Sir Isaac Newton a prouvé que la gravité est la force d'attraction mutuelle entre toutes les masses de l'univers et qu'elle s'étend à l'infini dans l'espace mais s'affaiblit avec la distance.

Pour nous, l'objet le plus massif qui soit est la planète sur laquelle nous vivons. La masse de la Terre est d'environ 6 000 milliards de milliards de kilogrammes, soit "6" suivis de 24 zéros. Cette masse produit beaucoup de force gravitationnelle et toute cette gravité tire vers le centre de la Terre. C'est pourquoi, peu importe où vous vivez sur Terre, vous pouvez tomber de la gravité " inférieure " qui vous tire toujours vers le centre de la Terre.

La gravité tire également la Lune vers la Terre. Mais à cause de son mouvement orbital, la Lune ne frappe pas la Terre, elle tombe essentiellement autour d'elle. De même, Newton a conclu que la gravité du Soleil attire la Terre vers le centre du système solaire et maintient toutes les planètes en orbite.

Théorie générale de la relativité d'Einstein

Environ deux siècles plus tard, en 1915, Albert Einstein a prédit comment la gravité agirait à proximité d'objets massifs comme les étoiles, qui ont une très forte gravité. Il a suggéré que nous considérions l'espace comme une feuille de caoutchouc plate et tendue. Une grosse boule placée sur cette feuille fera une entaille. Lorsqu'un objet plus petit est placé à proximité, il roule dans la bosse et "gravite" vers l'objet plus gros. Plus l'objet est massif, plus la bosse est profonde et plus l'attraction gravitationnelle est grande.

Un trou noir est un objet extrêmement massif incrusté dans la feuille. Il fait une entaille si profonde que même la lumière peut s'échapper.

Terre et Lune

La gravité maintient la Lune en orbite autour de la Terre.

NASA / U.S. Geological Survey

© NASA / U.S. Geological Survey

Voyez comment la gravité déforme l'espace

Voyez comment la gravité déforme l'espace.

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

Votre poids sur la Lune

La gravité détermine en fait le "poids" d'un objet. Chaque objet, y compris vous, a une certaine masse. Si vous déplacez cet objet vers une planète avec une gravité différente, il « pesera » une quantité différente car une quantité différente de gravité tirera sur lui.

Si vous êtes allé sur la Lune, vous pesez moins car la Lune n'a qu'environ un sixième de la gravité de la Terre. Donc, si vous pesez 60 kilogrammes sur Terre, vous ne pesez que 10 kilogrammes sur la Lune. Mais sur Jupiter, qui est plus massive que la Terre, vous pèseriez beaucoup plus - 130 kilogrammes. Et dans l'espace, loin de tout objet céleste, vous ne pesez pratiquement rien.

La gravité détermine en fait le "poids" d'un objet. Chaque objet, y compris vous, a une certaine masse. Si vous déplacez cet objet vers une planète avec une gravité différente, il « pesera » une quantité différente car une quantité différente de gravité tirera sur lui.

Si vous êtes allé sur la Lune, vous pesez moins car la Lune n'a qu'environ un sixième de la gravité de la Terre. Donc, si vous pesez 60 kilogrammes sur Terre, vous ne pesez que 10 kilogrammes sur la Lune. Mais sur Jupiter, qui est plus massive que la Terre, vous pèseriez beaucoup plus - 130 kilogrammes. Et dans l'espace, loin de tout objet céleste, vous ne pesez pratiquement rien.

La gravité de Jupiter

La gravité de Jupiter est beaucoup plus forte que celle de la Terre. Si vous pesiez 60 kilogrammes sur Terre, vous pèseriez 130 kilogrammes sur Jupiter.

NASA / CICLOPS / Université de l'Arizona

© NASA / CICLOPS / Université d'Arizona

L'univers en expansion

En 1924, l'astronome américain Edwin Hubble commence à étudier les nébuleuses spirales. À l'époque, les astronomes pensaient que les nébuleuses spirales étaient des tourbillons semblables à des nuages ​​dans la Voie lactée. Ils ne savaient pas qu'il y avait d'autres galaxies dans l'univers, et la Voie lactée était considérée comme un simple flux d'étoiles dans un cosmos autrement vide.

Hubble a découvert qu'il y avait des étoiles dans la "nébuleuse d'Andromède". En mesurant soigneusement leur luminosité, il a conclu que la nébuleuse était en réalité une immense île d'étoiles bien au-delà de la Voie lactée. La nature des nébuleuses spirales a finalement été résolue et la nébuleuse d'Andromède a été reclassée en galaxie.

En 1929, les observations d'autres nébuleuses spirales ont conduit Hubble à conclure que la Voie lactée était entourée de galaxies et que ces galaxies s'éloignaient toutes de nous. En fait, plus les galaxies étaient éloignées, plus elles reculaient rapidement.

Connaître le taux d'expansion est essentiel pour comprendre l'âge, la taille et le destin de l'univers. Les astronomes cherchent constamment à affiner la constante de Hubble, un rapport vitesse/distance qui mesure le taux d'expansion.

En 1924, l'astronome américain Edwin Hubble commence à étudier les nébuleuses spirales. À l'époque, les astronomes pensaient que les nébuleuses spirales étaient des tourbillons semblables à des nuages ​​dans la Voie lactée. Ils ne savaient pas qu'il y avait d'autres galaxies dans l'univers, et la Voie lactée était considérée comme un simple flux d'étoiles dans un cosmos autrement vide.

Hubble a découvert qu'il y avait des étoiles dans la "nébuleuse d'Andromède". En mesurant soigneusement leur luminosité, il a conclu que la nébuleuse était en réalité une immense île d'étoiles bien au-delà de la Voie lactée. La nature des nébuleuses spirales a finalement été résolue et la nébuleuse d'Andromède a été reclassée en galaxie.

En 1929, les observations d'autres nébuleuses spirales ont conduit Hubble à conclure que la Voie lactée était entourée de galaxies et que ces galaxies s'éloignaient toutes de nous. En fait, plus les galaxies étaient éloignées, plus elles reculaient rapidement.

Taux de croissance

Connaître le taux d'expansion est essentiel pour comprendre l'âge, la taille et le destin de l'univers. Les astronomes cherchent constamment à affiner la constante de Hubble, un rapport vitesse/distance qui mesure le taux d'expansion.

Univers qui s'étire

Selon la théorie d'Einstein, l'espace entre les galaxies est ce qui se dilate : les galaxies ne se déplacent pas réellement dans l'espace. Pour illustrer cela, imaginez des lampadaires fixés sur une autoroute en expansion. Au fur et à mesure que la route s'étend, l'espace entre les lampadaires augmente.

L'univers en expansion

Voir l'expansion de l'univers.

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

Voir l'univers des étirements

Réseau canadien d'information sur le patrimoine

© Réseau canadien d'information sur le patrimoine, 2003

Matière noire

Nous pouvons détecter la matière noire par l'effet que sa gravité a sur l'univers visible. Les amas de galaxies se déplacent comme s'ils contenaient plus de masse que ce que nous pouvons réellement voir. Des études informatiques montrent que les galaxies sont incrustées dans de vastes halos qui contiennent 10 fois plus de masse que ce que nous pouvons voir - cette masse est de la matière noire.

Alors de quoi est faite la matière noire ? Une possibilité est les MACHO (Massive Compact Halo Objects). Les MACHO sont des morceaux lents de matière cosmique, peut-être des étoiles brûlées, ou des objets de la taille de Jupiter, grouillant dans des halos galactiques. Ou cela pourrait provenir de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), qui sont des particules exotiques se déplaçant rapidement, laissées par une époque cosmique antérieure.

Jusqu'à présent, seuls quelques MACHO ont été détectés, mais aucun WIMP exotique. Cependant, les neutrinos semblent maintenant être un candidat prometteur pour la matière noire. Les neutrinos sont des particules subatomiques sans charge électrique et de très faible masse. Ils sont si nombreux que même avec un cinquante millième de la masse d'un électron, ils pourraient représenter autant de matière que l'ensemble de l'univers visible.

La matière noire compte. En fait, cela pourrait nous dire si l'univers se terminera par un bi Lire la suite

Nous pouvons détecter la matière noire par l'effet que sa gravité a sur l'univers visible. Les amas de galaxies se déplacent comme s'ils contenaient plus de masse que ce que nous pouvons réellement voir. Des études informatiques montrent que les galaxies sont incrustées dans de vastes halos qui contiennent 10 fois plus de masse que ce que nous pouvons voir - cette masse est de la matière noire.

Alors de quoi est faite la matière noire ? Une possibilité est les MACHO (Massive Compact Halo Objects). Les MACHO sont des morceaux lents de matière cosmique, peut-être des étoiles brûlées, ou des objets de la taille de Jupiter, grouillant dans des halos galactiques. Ou cela pourrait provenir de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), qui sont des particules exotiques se déplaçant rapidement, laissées par une époque cosmique antérieure.

Jusqu'à présent, seuls quelques MACHO ont été détectés, mais aucun WIMP exotique. Cependant, les neutrinos semblent maintenant être un candidat prometteur pour la matière noire. Les neutrinos sont des particules subatomiques sans charge électrique et de très faible masse. Ils sont si nombreux que même avec un cinquante millième de la masse d'un électron, ils pourraient représenter autant de matière que l'ensemble de l'univers visible.

La matière noire compte. En fait, cela pourrait nous dire si l'univers se terminera par un gros resserrement ou continuera à s'étendre pour toujours. Selon la quantité de masse existant dans l'univers, il existe trois scénarios possibles :

-Si l'univers a plus qu'assez de masse, la gravité finira par arrêter l'expansion de l'univers, et tout retombera dans un "gros resserrement". C'est ce qu'on appelle un "univers fermé".
-Si l'univers a juste assez de masse, il continuera à s'étendre pour toujours, mais à un rythme de plus en plus lent, il ne s'arrêtera jamais. C'est ce qu'on appelle un ""univers plat.""
-S'il y a moins qu'assez de masse, l'univers s'étendra pour toujours, mais à un rythme accéléré. C'est ce qu'on appelle un ""univers ouvert.""

Jusqu'à présent, il semble que le numéro 3 soit ce qui se passera. Même avec la masse des MACHO, des WIMP et des neutrinos, il n'y a pas assez de masse pour empêcher l'univers de s'étendre pour toujours.

Amas de galaxies Abell 2218

Dans cette image de l'amas de galaxies Abell 2218, la lumière des objets situés derrière l'amas est répartie en arcs de cercle par le champ gravitationnel de l'amas. Ceci est similaire à ce qui se passe lorsque la lumière traverse une boule de verre. Cependant, la masse nécessaire pour produire cette distorsion est bien supérieure à la masse que nous pouvons réellement voir. Des images comme celles-ci confirment l'existence de la matière noire.


Toute matière a une masse, mais toute matière a-t-elle une attraction gravitationnelle ?

Oui, même un neutrino a une force gravitationnelle, même si elle est si petite qu'aucune expérience n'est susceptible de la mesurer dans un avenir prévisible.

Le potentiel $V$ à une distance $x$ d'une masse ponctuelle de masse $m$ est :

où G est la constante gravitationnelle (c'est l'expression non relativiste, qui est valide dans la plupart des circonstances). La masse $m$ peut avoir n'importe quelle valeur. Tant que $m$ est supérieur à zéro, il y aura un potentiel fini.

Chaque matière et champ que nous connaissons a un tenseur énergie-contrainte qui agit comme une source pour le champ gravitationnel via les équations de champ d'Einstein. Le champ gravitationnel est décrit en termes de courbure de l'espace-temps. Tout ce qui s'y meut le "sent". Pris ensemble, cela signifie que tout interagit gravitationnellement avec tout le reste.

Toute matière a une masse, mais toute matière a-t-elle une attraction gravitationnelle ?

Oui. Une façon de voir cela est que nous observons que tous les mattes ont la même accélération dans un champ gravitationnel donné, ce qui signifie que la force gravitationnelle agissant au un objet est strictement proportionnel à l'inertie de l'objet mesurée par sa masse. Par la troisième loi de Newton, cette force est également égale en force à la force faite par L'object.

Ce n'est même pas limité à la matière. La relativité dit que l'énergie est équivalente à la masse, donc par exemple un rayon de lumière crée un champ gravitationnel. (Ce n'est pas réellement le tenseur d'énergie de masse mais le tenseur d'énergie de contrainte qui est pertinent. L'énergie de masse est une partie du tenseur d'énergie de contrainte.)


Contenu

Ancien monde

Le philosophe grec Archimède a découvert le centre de gravité d'un triangle. [6] Il a également postulé que si deux poids égaux n'avaient pas le même centre de gravité, le centre de gravité des deux poids ensemble serait au milieu de la ligne qui relie leurs centres de gravité. [7]

L'architecte et ingénieur romain Vitruve en De l'architecture a postulé que la gravité d'un objet ne dépendait pas du poids mais de sa « nature ». [8]

Révolution scientifique

Les travaux modernes sur la théorie de la gravitation ont commencé avec les travaux de Galileo Galilei à la fin du XVIe et au début du XVIIe siècle. Dans sa célèbre expérience (bien que peut-être apocryphe [9] ) laissant tomber des balles de la tour de Pise, et plus tard avec des mesures minutieuses des balles roulant sur des pentes, Galilée a montré que l'accélération gravitationnelle est la même pour tous les objets. C'était un changement majeur par rapport à la croyance d'Aristote selon laquelle les objets plus lourds ont une accélération gravitationnelle plus élevée. [10] Galileo a postulé que la résistance de l'air était la raison pour laquelle les objets de faible densité et de grande surface tombent plus lentement dans une atmosphère. Les travaux de Galilée ont ouvert la voie à la formulation de la théorie de la gravité de Newton. [11]

La théorie de la gravitation de Newton

En 1687, le mathématicien anglais Sir Isaac Newton publia Principia, qui émet l'hypothèse de la loi de l'inverse des carrés de la gravitation universelle. Dans ses propres mots, « j'ai déduit que les forces qui maintiennent les planètes dans leurs orbes doivent [être] réciproquement comme les carrés de leurs distances des centres autour desquels elles tournent : et ainsi comparé la force requise pour maintenir la Lune dans son avec la force de gravité à la surface de la Terre et j'ai trouvé la réponse à peu près." [12] L'équation est la suivante :

F est la force, m1 et m2 sont les masses des objets en interaction, r est la distance entre les centres des masses et g est la constante gravitationnelle.

La théorie de Newton a connu son plus grand succès lorsqu'elle a été utilisée pour prédire l'existence de Neptune sur la base des mouvements d'Uranus qui ne pouvaient pas être expliqués par les actions des autres planètes. Les calculs de John Couch Adams et d'Urbain Le Verrier ont prédit la position générale de la planète, et les calculs de Le Verrier sont ce qui a conduit Johann Gottfried Galle à la découverte de Neptune.

Une divergence dans l'orbite de Mercure a mis en évidence des failles dans la théorie de Newton. À la fin du 19ème siècle, on savait que son orbite présentait de légères perturbations qui ne pouvaient pas être entièrement expliquées par la théorie de Newton, mais toutes les recherches d'un autre corps perturbateur (comme une planète en orbite autour du Soleil encore plus près que Mercure) avaient été infructueux. Le problème a été résolu en 1915 par la nouvelle théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, qui expliquait le petit écart dans l'orbite de Mercure. Cet écart était l'avance du périhélie de Mercure de 42,98 secondes d'arc par siècle. [13]

Bien que la théorie de Newton ait été remplacée par la relativité générale d'Albert Einstein, la plupart des calculs gravitationnels non relativistes modernes sont toujours effectués à l'aide de la théorie de Newton car elle est plus simple à utiliser et donne des résultats suffisamment précis pour la plupart des applications impliquant des masses, des vitesses et des énergies suffisamment petites.

Principe d'équivalence

Le principe d'équivalence, exploré par une succession de chercheurs dont Galileo, Loránd Eötvös et Einstein, exprime l'idée que tous les objets tombent de la même manière et que les effets de la gravité sont indiscernables de certains aspects de l'accélération et de la décélération. La façon la plus simple de tester le principe d'équivalence faible est de laisser tomber deux objets de masses ou de compositions différentes dans le vide et de voir s'ils touchent le sol en même temps. De telles expériences démontrent que tous les objets tombent à la même vitesse lorsque les autres forces (telles que la résistance de l'air et les effets électromagnétiques) sont négligeables. Des tests plus sophistiqués utilisent une balance de torsion d'un type inventé par Eötvös. Des expériences satellitaires, par exemple STEP, sont prévues pour des expériences plus précises dans l'espace. [14]

Les formulations du principe d'équivalence comprennent :

  • Le principe d'équivalence faible : La trajectoire d'une masse ponctuelle dans un champ gravitationnel ne dépend que de sa position et de sa vitesse initiales, et est indépendante de sa composition.[15]
  • Le principe d'équivalence einsteinien : Le résultat de toute expérience locale non gravitationnelle dans un laboratoire en chute libre est indépendant de la vitesse du laboratoire et de sa localisation dans l'espace-temps.[16]
  • Le principe d'équivalence fort exigeant les deux ci-dessus.

Relativité générale

En relativité générale, les effets de la gravitation sont attribués à la courbure de l'espace-temps au lieu d'une force. Le point de départ de la relativité générale est le principe d'équivalence, qui assimile la chute libre au mouvement inertiel et décrit les objets inertiels en chute libre comme étant accélérés par rapport aux observateurs non inertiels au sol. [17] [18] Dans la physique newtonienne, cependant, aucune telle accélération ne peut se produire à moins qu'au moins un des objets ne soit exploité par une force.

Einstein a proposé que l'espace-temps est courbé par la matière et que les objets en chute libre se déplacent le long de trajectoires localement droites dans l'espace-temps courbé. Ces chemins rectilignes sont appelés géodésiques. Comme la première loi du mouvement de Newton, la théorie d'Einstein stipule que si une force est appliquée sur un objet, elle s'écarterait d'une géodésique. Par exemple, nous ne suivons plus les géodésiques en position debout car la résistance mécanique de la Terre exerce une force ascendante sur nous, et nous ne sommes donc pas inertiels au sol. Cela explique pourquoi se déplacer le long des géodésiques dans l'espace-temps est considéré comme inertiel.

Einstein a découvert les équations de champ de la relativité générale, qui relient la présence de matière et la courbure de l'espace-temps et portent son nom. Les équations de champ d'Einstein sont un ensemble de 10 équations différentielles non linéaires simultanées. Les solutions des équations de champ sont les composantes du tenseur métrique de l'espace-temps. Un tenseur métrique décrit une géométrie de l'espace-temps. Les chemins géodésiques pour un espace-temps sont calculés à partir du tenseur métrique.

Solutions

Les solutions notables des équations de champ d'Einstein incluent :

  • La solution de Schwarzschild, qui décrit l'espace-temps entourant un objet massif non chargé à symétrie sphérique et non rotatif. Pour des objets suffisamment compacts, cette solution a généré un trou noir avec une singularité centrale. Pour des distances radiales du centre bien supérieures au rayon de Schwarzschild, les accélérations prédites par la solution de Schwarzschild sont pratiquement identiques à celles prédites par la théorie de la gravitation de Newton.
  • La solution Reissner-Nordström, dans laquelle l'objet central a une charge électrique. Pour les charges dont la longueur géométrisée est inférieure à la longueur géométrisée de la masse de l'objet, cette solution produit des trous noirs à double horizon des événements.
  • La solution Kerr pour la rotation d'objets massifs. Cette solution produit également des trous noirs avec de multiples horizons d'événements.
  • La solution Kerr-Newman pour les objets massifs chargés en rotation. Cette solution produit également des trous noirs avec de multiples horizons d'événements.
  • La solution cosmologique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, qui prédit l'expansion de l'Univers.

Essais

  • La relativité générale explique la précession anormale du périhélie de Mercure. [20]
  • La prédiction selon laquelle le temps s'écoule plus lentement à des potentiels inférieurs (dilatation gravitationnelle du temps) a été confirmée par l'expérience Pound-Rebka (1959), l'expérience Hafele-Keating et le GPS.
  • La prédiction de la déviation de la lumière a été confirmée pour la première fois par Arthur Stanley Eddington à partir de ses observations lors de l'éclipse solaire du 29 mai 1919. relativité générale. Cependant, son interprétation des résultats a ensuite été contestée. [23] Des tests plus récents utilisant des mesures radio-interférométriques de quasars passant derrière le Soleil ont confirmé de manière plus précise et cohérente la déviation de la lumière au degré prédit par la relativité générale. [24] Voir aussi lentille gravitationnelle.
  • Le retard de la lumière passant à proximité d'un objet massif a été identifié pour la première fois par Irwin I. Shapiro en 1964 dans les signaux des engins spatiaux interplanétaires. a été indirectement confirmée par des études de pulsars binaires. Le 11 février 2016, les collaborations LIGO et Virgo ont annoncé la première observation d'une onde gravitationnelle. en 1922 a constaté que les équations d'Einstein ont des solutions non stationnaires (même en présence de la constante cosmologique). En 1927, Georges Lemaître montra que les solutions statiques des équations d'Einstein, qui sont possibles en présence de la constante cosmologique, sont instables, et donc l'Univers statique envisagé par Einstein ne pourrait pas exister. Plus tard, en 1931, Einstein lui-même était d'accord avec les résultats de Friedmann et Lemaître. Ainsi, la relativité générale a prédit que l'Univers devait être non statique - il devait soit se dilater, soit se contracter. L'expansion de l'Univers découverte par Edwin Hubble en 1929 a confirmé cette prédiction. [25]
  • La prédiction de la théorie du glissement du cadre était cohérente avec les récents résultats de Gravity Probe B. [26]
  • La relativité générale prédit que la lumière devrait perdre son énergie lorsqu'elle s'éloigne des corps massifs par le biais d'un décalage vers le rouge gravitationnel. Cela a été vérifié sur terre et dans le système solaire vers 1960.

Gravité et mécanique quantique

Une question ouverte est de savoir s'il est possible de décrire les interactions à petite échelle de la gravité avec le même cadre que la mécanique quantique. La relativité générale décrit les propriétés en vrac à grande échelle alors que la mécanique quantique est le cadre pour décrire les interactions de la matière à plus petite échelle. Sans modifications ces frameworks sont incompatibles. [27]

Une voie consiste à décrire la gravité dans le cadre de la théorie quantique des champs, qui a réussi à décrire avec précision les autres interactions fondamentales. La force électromagnétique résulte d'un échange de photons virtuels, où la description QFT de la gravité est qu'il y a un échange de gravitons virtuels. [28] [29] Cette description reproduit la relativité générale dans la limite classique. Cependant, cette approche échoue à de courtes distances de l'ordre de la longueur de Planck, [27] où une théorie plus complète de la gravité quantique (ou une nouvelle approche de la mécanique quantique) est requise.

La gravité terrestre

Chaque corps planétaire (y compris la Terre) est entouré de son propre champ gravitationnel, qui peut être conceptualisé avec la physique newtonienne comme exerçant une force d'attraction sur tous les objets. En supposant une planète à symétrie sphérique, la force de ce champ en tout point donné au-dessus de la surface est proportionnelle à la masse du corps planétaire et inversement proportionnelle au carré de la distance depuis le centre du corps.

La force du champ gravitationnel est numériquement égale à l'accélération des objets sous son influence. [30] Le taux d'accélération des objets tombants près de la surface de la Terre varie très légèrement en fonction de la latitude, des caractéristiques de surface telles que les montagnes et les crêtes, et peut-être des densités souterraines inhabituellement élevées ou faibles. [31] Aux fins des poids et mesures, une valeur de gravité standard est définie par le Bureau international des poids et mesures, selon le Système international d'unités (SI).

Cette valeur, notée g, est g = 9,80665 m/s 2 (32,1740 pi/s 2 ). [32] [33]

La valeur standard de 9,80665 m/s 2 est celle adoptée à l'origine par le Comité international des poids et mesures en 1901 pour 45° de latitude, même si elle s'est avérée trop élevée d'environ cinq parties sur dix mille. [34] Cette valeur a persisté en météorologie et dans certaines atmosphères standard comme la valeur de 45° de latitude même si elle s'applique plus précisément à la latitude de 45°32'33". [35]

En supposant la valeur standardisée de g et en ignorant la résistance de l'air, cela signifie qu'un objet tombant librement près de la surface de la Terre augmente sa vitesse de 9,80665 m/s (32,1740 ft/s ou 22 mph) pour chaque seconde de sa descente. Ainsi, un objet partant du repos atteindra une vitesse de 9,80665 m/s (32,1740 ft/s) après une seconde, environ 19,62 m/s (64,4 ft/s) après deux secondes, et ainsi de suite, ajoutant 9,80665 m/s (32,1740 ft/s) à chaque vitesse résultante. De plus, en ignorant à nouveau la résistance de l'air, tous les objets, lorsqu'ils sont lâchés de la même hauteur, heurteront le sol en même temps.

Selon la 3e loi de Newton, la Terre elle-même subit une force égale en amplitude et opposée en direction à celle qu'elle exerce sur un objet en chute. Cela signifie que la Terre accélère également vers l'objet jusqu'à ce qu'ils entrent en collision. Cependant, comme la masse de la Terre est énorme, l'accélération communiquée à la Terre par cette force opposée est négligeable par rapport à celle de l'objet. Si l'objet ne rebondit pas après sa collision avec la Terre, chacun d'eux exerce alors une force de contact répulsive sur l'autre qui équilibre efficacement la force attractive de la gravité et empêche toute accélération supplémentaire.

La force de gravité sur Terre est la résultante (somme vectorielle) de deux forces : [36] (a) L'attraction gravitationnelle selon la loi universelle de la gravitation de Newton, et (b) la force centrifuge, qui résulte du choix d'un référentiel terrestre tournant. La force de gravité est la plus faible à l'équateur en raison de la force centrifuge causée par la rotation de la Terre et parce que les points de l'équateur sont les plus éloignés du centre de la Terre. La force de gravité varie avec la latitude et augmente d'environ 9,780 m/s 2 à l'équateur à environ 9,832 m/s 2 aux pôles.

Équations pour un corps en chute près de la surface de la Terre

Under the same constant gravity assumptions, the potential energy, Ep, of a body at height h is given by Ep = mgh (ou alors Ep = Wh, avec W meaning weight). This expression is valid only over small distances h from the surface of the Earth. Similarly, the expression h = v 2 2 g ><2g>>> for the maximum height reached by a vertically projected body with initial velocity v is useful for small heights and small initial velocities only.

Gravity and astronomy

The application of Newton's law of gravity has enabled the acquisition of much of the detailed information we have about the planets in the Solar System, the mass of the Sun, and details of quasars even the existence of dark matter is inferred using Newton's law of gravity. Although we have not traveled to all the planets nor to the Sun, we know their masses. These masses are obtained by applying the laws of gravity to the measured characteristics of the orbit. In space an object maintains its orbit because of the force of gravity acting upon it. Planets orbit stars, stars orbit galactic centers, galaxies orbit a center of mass in clusters, and clusters orbit in superclusters. The force of gravity exerted on one object by another is directly proportional to the product of those objects' masses and inversely proportional to the square of the distance between them.

The earliest gravity (possibly in the form of quantum gravity, supergravity or a gravitational singularity), along with ordinary space and time, developed during the Planck epoch (up to 10 −43 seconds after the birth of the Universe), possibly from a primeval state (such as a false vacuum, quantum vacuum or virtual particle), in a currently unknown manner. [5]

Gravitational radiation

General relativity predicts that energy can be transported out of a system through gravitational radiation. Any accelerating matter can create curvatures in the space-time metric, which is how the gravitational radiation is transported away from the system. Co-orbiting objects can generate curvatures in space-time such as the Earth-Sun system, pairs of neutron stars, and pairs of black holes. Another astrophysical system predicted to lose energy in the form of gravitational radiation are exploding supernovae.

The first indirect evidence for gravitational radiation was through measurements of the Hulse–Taylor binary in 1973. This system consists of a pulsar and neutron star in orbit around one another. Its orbital period has decreased since its initial discovery due to a loss of energy, which is consistent for the amount of energy loss due to gravitational radiation. This research was awarded the Nobel Prize in Physics in 1993.

The first direct evidence for gravitational radiation was measured on 14 September 2015 by the LIGO detectors. The gravitational waves emitted during the collision of two black holes 1.3 billion-light years from Earth were measured. [38] [39] This observation confirms the theoretical predictions of Einstein and others that such waves exist. It also opens the way for practical observation and understanding of the nature of gravity and events in the Universe including the Big Bang. [40] Neutron star and black hole formation also create detectable amounts of gravitational radiation. [41] This research was awarded the Nobel Prize in physics in 2017. [42]

As of 2020 [update] , the gravitational radiation emitted by the Solar System is far too small to measure with current technology.

Speed of gravity

In December 2012, a research team in China announced that it had produced measurements of the phase lag of Earth tides during full and new moons which seem to prove that the speed of gravity is equal to the speed of light. [43] This means that if the Sun suddenly disappeared, the Earth would keep orbiting the vacant point normally for 8 minutes, which is the time light takes to travel that distance. The team's findings were released in the Chinese Science Bulletin in February 2013. [44]

In October 2017, the LIGO and Virgo detectors received gravitational wave signals within 2 seconds of gamma ray satellites and optical telescopes seeing signals from the same direction. This confirmed that the speed of gravitational waves was the same as the speed of light. [45]

There are some observations that are not adequately accounted for, which may point to the need for better theories of gravity or perhaps be explained in other ways.


8 Gravitational Waves

Albert Einstein&rsquos general theory of relativity (aka Einstein&rsquos theory of gravity) was proposed in 1915. Around the same time, a phenomenon called gravitational waves was also hypothesized. It was not until 1974 that this theory was proven.

Gravitational waves are ripples in the space-time continuum caused by violent happenings in the universe. These happenings can be anything from the collision of black holes to the wobbly rotation of neutron stars to a supernova. When one of these events occurs, gravitational waves ripple from the scene like waves moving away from a rock thrown into water. The waves travel at the speed of light through the universe.

As we do not see these catastrophic events happening all the time in our universe, it takes many years to observe gravitational waves. That is why it took almost 60 years to prove that gravitational waves exist.

For over 40 years, scientists have been monitoring their first find of gravitational waves, the one that proved they existed. These waves were caused by two dense, heavy stars orbiting each other because of gravitational pull. Over time, it was observed that the stars were orbiting closer and closer to one another at the rate predicted by Einstein&rsquos theory. Thus, it was proven that gravitational waves do exist. [3]


Staying grounded in space requires artificial gravity

This is an artist’s image of a space station orbiting Mars. The huge ring could rotate, bringing artificial gravity to the people inside.

cokada/iStock/Getty Images Plus

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In lots of books, movies and TV shows, people on spaceships walk around like they would on Earth. In real life, though, astronauts in space float. The difference isn’t just because the books, movies and TV are fiction. It’s that in those fictional worlds, artificial gravity exists. In our world it doesn’t — yet. But it may be coming.

Gravity is a fundamental force. It attracts objects with mass toward each other. Objects with a lot of mass — such as Earth — attract other objects toward their centers. This is why we stand firmly on the ground no matter where on Earth we are. Gravity decreases with distance, though. So as people travel to the Moon or Mars, their pull toward Earth quickly weakens, which leaves them floating.

Scientists Say: Gravity

This might seem like fun. But life without gravity isn’t great. In the long term, our bones and muscles don’t work as hard in a gravity-free environment. This weakens them. Without gravity, blood and other bodily fluids don’t flow normally and can collect in the upper body. This can cut off hearing.

Also, floating around in zero gravity makes you puke.

In fact, notes Mika McKinnon, “We know a lot of ways to have the same effect as gravity using other forces.” She is a physicist with the Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) Institute. It’s in Mountain View, Calif. And at least a few of the simpler tactics might not be that far off.

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Mass attraction

One approach would be to “use electricity and magnetism as a way of substituting for gravity,” McKinnon explains. “You can create that magnetic field by running electricity around in circles,” she says. The flow of electric current produces magnetism. All an astronaut would have to do is wear metal boots. The attraction between the metal and the magnet would help someone walk along the floor.

The work required to walk against a magnet might also limit bone and muscle loss in space. But being stuck to the floor isn’t the same as gravity. Fluids would still be able to collect in the upper body. And your stomach would still be awfully confused.

Let’s learn about gravity

Scientists could try to harness real gravity, McKinnon says. Everything with mass has gravity, she points out. So one simple idea would be to have a lot of mass. “Build yourself a planet and then you’ve got enough gravity,” she notes. Then again, she adds, That’s not very convenient to have to build a planet or carry a planet around with you.” Instead, she explains, the key might be to get a lot of mass into a very small area.

Neutron stars, for example, are extremely dense. A teaspoon of neutron-star material might be enough to give us gravity, she says. Or a “tiny pencil prick” of a black hole. Both of these exert vast amounts of gravity for their size.

But how could you contain a black hole — even a tiny one — in the middle of a spaceship? “That’s an engineering problem,” McKinnon says. “And we have no idea what the engineering would be.”

Ring around the spaceship

If you’ve ever been on a carnival ride like the spinning teacups, you’ve felt artificial gravity. When you are inside a large, spinning object, you will feel a pull toward the outside wall. This is because of inertia. Your body is resisting the change in motion of the object spinning around you.

We feel inertia as something that doesn’t exist — centrifugal force. This force seems to pull us to the outside edge of the rotating teacup.

Centrifugal force is really inertia. But if all you need is artificial gravity, then such an imaginary force works fine. All you need is either a small ship, rotating very fast, or a very large ship rotating slowly. Either way, the spin would pull someone feet-first toward the outside wall.

This is an improvement over magnets, because the whole body would feel the effect. Blood and fluids would move through the body just as they do on Earth. Bones and muscles would feel the pull when someone walked or ran.

A large version of such a system is called an O’Neill cylinder. It’s named for physicist Gerard O’Neill, who came up with the idea. A pair of these vast rotating cylinders would sit aimed toward the sun and spin in opposite directions. Those opposite spins would help hold them in place.

“The only reason we won’t have them is they are huge,” explains Joalda Morancy, who uses they/them pronouns. A junior at the University of Chicago in Illinois, they are studying physics and astronomy. Morancy also is an intern at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif.

And Morancy isn’t kidding when they say O’Neill cylinders are huge. O’Neill’s original idea was to create space habitats eight kilometers (five miles) across and 32 km long. “About a million people could live there,” Morancy says. “I really wish I could get to see one.”

Jeff Bezos, the founder of Amazon and the space company Blue Origin, is interested in building O’Neill cylinders. But that’s a long way off.

There’s also the problem of where to build them. Such a structure could probably be built on Earth. But how do you send something 32-km long into space? “It would cost so much and take a lot of rockets,” Morancy says.

An easier, lower cost option would be to assemble those giant habitats in space. But “we’re closer to the tech to get us to Mars than we are to building things in space,” Morancy notes.

On the International Space Station, astronauts have to do everything while floating free. A rotating room might give them artificial gravity — if they can take the spin. Nasa

Spin your astronaut round and round

Smaller rotating objects can provide the same effect as O’Neill cylinders. The smaller the object is, though, the faster is must spin to give you the feeling of gravity. And that spin has its own challenges. Spend enough time in a small spinning teacup and your stomach may soon object.

What’s more, people in or on rotating objects suffer from the Coriolis effect. This is a deflection that occurs when objects not attached to the ground travel at high speeds or long distances relative to a rotating planet. As an object flew through the air, the ground below would be spinning. So the object would appear to deflect a little, landing to the side of where it was headed. Most of the time, this difference is so tiny you’d never notice. If you threw a baseball from New York City to the equator, though, you definitely would.

The Coriolis effect is another fake force. Like centrifugal force, it’s actually inertia (yes, again). And like centrifugal force, the Coriolis effect is noticeable. In a fast-spinning spaceship, your arms would be forced to one side as you lifted them.

But the effect on your arms is nothing compared to the effect on your brain. People in a quickly rotating cylinder suffer from what’s called the cross-coupled illusion, notes Katherine Bretl. She’s an aerospace engineer at the University of Colorado in Boulder. When someone is inside a spinning ride — or a spinning space station — they often feel fine as they look forward. The cross-coupled illusion is that “tumbling feeling you get when you turn your head.”

Luckily, Bretl has found a way to overcome the problem. She and her colleagues have been putting people in a spinning chair and making them turn their heads for science. In one study, each recruit sat in the spinning chair for 25 minutes each day for 10 days. The chair started out spinning slowly — only once per minute. Over time, Bretl slowly increased the speed. After some 10 days, volunteers could tolerate being spun around more than 11 times per minute. After 50 days of training, they can spin more than 25 times per minute, on average. And to date, Bretl adds, “We haven’t had anyone puke.”

In 2019, her team described the 10-day procedure in the Journal of Vestibular Research. The 50-day results appeared last year in the journal npj Microgravity.

A room on the space station could rotate fast enough that astronauts would feel a gravitational force of about 1 g — the same as they would feel on Earth. The room wouldn’t have to be big, only about 2.6 meters (8.5 feet) across. That’s small enough to attach to the ISS. “Maybe a pair of modules opposite of one another rotate,” Bretly says. “Astronauts would be standing on a treadmill as this system is rotating.” The astronauts could work out in the rotating gyms, to make sure their muscles, bones and circulation stayed healthy. The rest of the time they would float throughout other parts of the space station.

“I think a lot of people look at [artificial gravity] and think it’s super far off,” Bretl says. “But I don’t think it has to be.” Those huge O’Neill cylinders are probably a long way away. But “artificial gravity doesn’t require that large, super-expensive, massive system in order to provide benefits for the astronauts.”

Power Words

aerospace: A research field devoted to the study of Earth’s atmosphere and the space beyond or to aircraft that travel in the atmosphere and space.

astronaut: Someone trained to travel into space for research and exploration.

astronomie: The area of science that deals with celestial objects, space and the physical universe. People who work in this field are called astronomers.

average: (in science) A term for the arithmetic mean, which is the sum of a group of numbers that is then divided by the size of the group.

black hole: A region of space having a gravitational field so intense that no matter or radiation (including light) can escape.

centrifugal force: A force that seems to pull a rotating body — or something on a rotating object (such as a rider of an amusement park ride) — away from the center of rotation.

colleague: Someone who works with another a co-worker or team member.

electric current: A flow of electric charge — electricity — usually from the movement of negatively charged particles, called electrons.

electricity: A flow of charge, usually from the movement of negatively charged particles, called electrons.

engineer: A person who uses science to solve problems. As a verb, to engineer means to design a device, material or process that will solve some problem or unmet need. (v.) To perform these tasks, or the name for a person who performs such tasks.

equator: An imaginary line around Earth that divides Earth into the Northern and Southern Hemispheres.

domaine: (in physics) A region in space where certain physical effects operate, such as magnetism (created by a magnetic field), gravity (by a gravitational field), mass (by a Higgs field) or electricity (by an electrical field).

force: Some outside influence that can change the motion of a body, hold bodies close to one another, or produce motion or stress in a stationary body.

habitat: The area or natural environment in which an animal or plant normally lives, such as a desert, coral reef or freshwater lake. A habitat can be home to thousands of different species.

illusion: A thing that is or is likely to be wrongly perceived or interpreted by the senses.

International Space Station: An artificial satellite that orbits Earth. Run by the United States and Russia, this station provides a research laboratory from which scientists can conduct experiments in biology, physics and astronomy — and make observations of Earth..

journal: (in science) A publication in which scientists share their research findings with experts (and sometimes even the public). Some journals publish papers from all fields of science, technology, engineering and math, while others are specific to a single subject. The best journals are peer-reviewed: They send all submitted articles to outside experts to be read and critiqued.

magnet: A material that usually contains iron and whose atoms are arranged so they attract certain metals.

magnetic field: An area of influence created by certain materials, called magnets, or by the movement of electric charges.

magnétisme: The attractive influence, or force, created by certain materials, called magnets, or by the movement of electric charges.

manufacturing: The making of things, usually on a large scale.

Mars: The fourth planet from the sun, just one planet out from Earth. Like Earth, it has seasons and moisture. But its diameter is only about half as big as Earth’s.

mass: A number that shows how much an object resists speeding up and slowing down — basically a measure of how much matter that object is made from.

matter: Something that occupies space and has mass. Anything on Earth with matter will have a property described as "weight."

microgravity: Gravity that is a fraction of the force experienced at sea level on Earth.

module: A set of standardized parts or independent units used to assemble a more complex structure. The module could be used to create a “prefabricated” home or furniture — or even a spacecraft.

lune: The natural satellite of any planet.

muscle: A type of tissue used to produce movement by contracting its cells, known as muscle fibers. Muscle is rich in protein, which is why predatory species seek prey containing lots of this tissue.

étoile à neutrons: The very dense corpse of what had once been a massive star. As the star died in a supernova explosion, its outer layers shot out into space. Its core then collapsed under its intense gravity, causing protons and electrons in its atoms to fuse into neutrons (hence the star’s name). A single teaspoonful of a neutron star, on Earth, would weigh more than a billion tons.

physics: The scientific study of the nature and properties of matter and energy. Classical physics is an explanation of the nature and properties of matter and energy that relies on descriptions such as Newton’s laws of motion. Quantum physics, a field of study that emerged later, is a more accurate way of explaining the motions and behavior of matter. A scientist who works in such areas is known as a physicist.

planète: A large celestial object that orbits a star but unlike a star does not generate any visible light.

propulsion: The act or process of driving something forward, using a force. For instance, jet engines are one source of propulsion used for keeping airplanes aloft.

robot: A machine that can sense its environment, process information and respond with specific actions. Some robots can act without any human input, while others are guided by a human.

rocket: Something propelled into the air or through space, sometimes as a weapon of war. A rocket usually is lofted by the release of exhaust gases as some fuel burns. (v.) Something that flings into space at high speed as if fueled by combustion.

SETI: An abbreviation for search for extraterrestrial intelligence, meaning life on other worlds.

star: The basic building block from which galaxies are made. Stars develop when gravity compacts clouds of gas. When they become hot enough, stars will emit light and sometimes other forms of electromagnetic radiation. The sun is our closest star.

Citations

Journal:​ K.N. Bretl et al. A standardized, incremental protocol to increase human tolerance to the cross-coupled illusion. Journal of Vestibular Research. Vol. 29, published online November 29, 2019, p. 229. doi: 10.3233/VES-190673.

About Bethany Brookshire

Bethany Brookshire was a longtime staff writer at Science News for Students. She has a Ph.D. in physiology and pharmacology and likes to write about neuroscience, biology, climate and more. She thinks Porgs are an invasive species.

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Yes, There Is Gravity in Space

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Astronauts might float in space, but that doesn’t mean gravity doesn’t exist up there. Nasa

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This week, I settled down to watch the first episode of The 100. If you haven't seen the show, I'll just point out that it takes place in the near future (though it ran, on the CW, in the near past). For reasons that I won't get into, there is a spacecraft with a bunch of teenagers that is traveling from a space station down to the surface of the Earth. During the reentry process, one kid wants to show that he is the master of space travel and that he's awesome. So what does he do? He gets out of his seat and floats around as a demonstration of his mastery of weightlessness. Another teenager points out that he's being pretty dumb—and that he's going to get hurt very soon.

OK, that is enough of the description of the scene so that we can talk about physics. The point is that there is one dude "floating" around in the spacecraft during reentry.

Before I over-analyze this short scene, let me add a caveat about my philosophy on science and stories. I've talked about this before, so I'll just give a summary: The number one job for a writer of a show is to tell a story. If the writer distorts science in order to make the plot move along—so be it. However, if the science could be correct without destroying the plot, then obviously Iɽ prefer it.

Obviously this scene has to do with gravity, so we should talk about gravity—right? In short, gravity is a fundamental interaction between objects with mass. Yes, any two objects that have mass will have a gravitational force pulling them together. The magnitude of this gravitational force depends on the distance between the objects. The further apart the objects get, the weaker the gravitational force. The magnitude of this force also depends on the masses of the two objects. Greater mass means a greater force. As an equation, this would be written as:

In this equation, the masses are described by the variables m1 and m2 and the distance between the objects is the variable r. But the most important thing is the constant g—this is the universal gravitational constant and it has a value of 6.67 x 10 -11 Nm 2 /kg 2 2. That might seem like it's important, so let me give an example that everyone can relate to. Suppose you are standing somewhere and your friend is right there with you and you two are having a conversation. Since you both have mass, there is a gravitational force pulling the two of you together. Using rough approximations for distance and mass, I get an attractive force of 3 x 10 -7 Newtons. Just to put that into perspective, this value is fairly close to the force you would feel if you put a grain of salt on your head (yes, I have an approximate value for the mass of one grain of salt).

So, the gravitational force is super tiny. The only way we ever notice this force is if one of the interacting objects has a super huge mass—something like the mass of the Earth (5.97 x 10 24 kg). If you replace your friend with the Earth and put the distance between you and your friend-Earth as the radius of the Earth, then you get a gravitational force of something like 680 Newtons—and that is a force you can feel (and you do).

Now for the real question. Why do astronauts float around in space unless there is no gravity? It sure seems like there is no gravity in space—it's even referred to as "zero gravity." OK, I've answered this before, but it's important enough to revisit the question.

The short answer is "yes"—there is gravity in space. Look back at the gravitational equation above. What changes in that equation as you move from the surface of the Earth into space? The only difference is the distance between you and the center of the Earth (the r). So as the distance increases, the gravitational force decreases—but by how much does the gravitational force change? How about a quick estimation?

Let's use an Earth radius of 6.371 x 10 6 meters. With this value, a person with a mass of 70 kg would have a gravitational force of 686.7 Newtons. Now moving up to the orbital height of the International Space Station, you would be an extra 400 km farther from the center. Recalculating with this greater distance, I get a weight of 608 Newtons. This is about 88 percent the value on the surface of the Earth (you can check all my calculations here). But you can see there is clearly gravity in space.

Oh, here is some extra evidence. Why does the moon orbit the Earth? The answer: gravity. Why does the Earth orbit the Sun? Yup, it's gravity. In both of these cases, there is a significant distance between the two interacting objects—but gravity still "works," even in space.

But why do astronauts float around in space? Well, they float around when in orbit—if there was a super tall tower reaching into space, they wouldn't float around. The "weightless" environment is caused by the orbital motion of the people inside a spacecraft or space station. Here is the real deal. If the only force acting on a human is the gravitational force, that human feels weightless. Standing on a tall tower would result in two forces (gravity pulling down and the tower pushing up). In orbit, there is only the gravitational force—leading to that feeling of weightlessness.

Actually, you don't even need to be in orbit to feel weightless. You can be weightless by having the gravitational force as the only thing acting on you. Here is a situation for you to consider. Suppose you are standing in a stationary elevator at the top of a building. Since you are at rest, the total force must be zero—that means the downward gravitational force pulling down is balanced by the upward pushing force from the floor. Now remove the force from the floor. Yes, this is difficult but it can be accomplished. Just have the elevator accelerate down with the same acceleration as a free falling object. Now you will be falling inside an elevator. The only force is gravity and you will be weightless.

Some people think this falling elevator is fun. That's why many amusement parks have a ride like The Tower of Terror. Basically, you get in a car that drops off a tower. During the fall, you feel weightless—but you don't crash at the bottom. Instead, the car is on a track that somehow slows down more gradually than if it smashed into the ground. They have one of these types of rides at the NASA center in Huntsville. went on this with my kids—it was actually scarier than I had imagined.


Einstein’s general theory of relativity:

Einstein’s general theory of relativity explains many things, not just gravity. This is because it explains how spacetime behaves as a whole, as it depends on the amount of mass and energy present, its distribution, and its movement. (Everything is. relative!)

So in this theory, gravity isn’t really a direct force of one mass over another, but rather simply the way in which objects move through spacetime, which is curved.

In this way, a large astronomical body, such as the sun, isn’t shooting out gravitational force field lines to ‘trap’ other bodies.

Instead, the mass warps the space and time around it as it moves, and when another body travels through this warped spacetime, it is affected by its ‘force’.

On smaller scales, such as within planets, solar systems, galaxies, and even galaxy groups, there is enough localized mass to make it seem as though objects are gravitationally attracting other objects.

Basically, all the masses are able to directly affect one another, because they are close enough together that they are moving through each other’s warped spacetimes.

In this sense, on smaller scales, Einstein’s theory of relativity works almost in the same way as Newton’s law of gravity. And because Newton’s is easier, that’s what people will usually use.


Gravity has no range, so it will affect you no matter how far you are from an object with mass. However, its effect does drop off quickly with distance. If we imagine that you were very very far from the Earth, and that the Earth was the only object with mass then while you would fall towards it the rate would be so slow you would probably not notice it.

The astronauts are in orbit around the Earth, same as the Moon. The Earth is in orbit around the Sun. The Sun is in orbit around the core of our galaxy. The reason they don't hit whatever they are in orbit around is because they are moving so fast to the side that the curved surface moves downward as fast as they move downward.

In that picture five separate canon balls are fired with different speeds. Cannon balls A and B are slow enough where they eventually fall to Earth. Cannon ball E is so fast that it flies away from the Earth. Cannon balls C and D are in the range where they will forever circle the Earth, forever falling towards it but never actually hitting it.

An astronaut floating in space is falling, and falling all the time. An astronaut floating around in the International Space Station is still very much subject to Earth's gravitational pull. The gravitational force on that astronaut is only reduced by about 10% compared to the gravitational force the astronaut experiences on the surface of the Earth. The reason we call that phenomenon "weightlessness" is because the astronaut does not feel that gravitational force. In fact, an astronaut standing on the surface of the Earth doesn't feel that force, either.

What we feel as "weight" is all of the other forces acting on us. Suppose you are standing still on the surface of the Earth. The upward normal force exerted by the ground pretty much cancels the downward pull of gravity. You feel that upward force in your feet as your weight. That force propagates through your body. You feel the tension in your guts, your joints, and in your inner ear. Take away that tension (e.g., skydive out of an airplane) and you too will feel "weightless" even though the gravitational force hasn't changed a bit.

3 billion years and stars are too far apart, mostly, for even one collision to occur - though watch out for a big surge in massive star formation as the gas clouds collide.

3 billion years and stars are too far apart, mostly, for even one collision to occur - though watch out for a big surge in massive star formation as the gas clouds collide.

I don't think this or the answer above really answer his question fully. He is wondering why any object that was in space a good billion light years from anything else. wouldn't just fall down and why it is just "floating" (given no force ever has or will ever act on it).

Unfortunately, we do not yet know what it is that the "space-time" fabric is made out of. Therefore we do not understand how or why gravity works the way it does when anything with mass is rested upon the "space-time" fabric.

Perhaps once we figure out what "dark matter" and or "dark energy" really is and what it is made out of. then we can get a better picture of what it is galaxies, stars and planets all really rest upon both at a grand level and at a molecular one.

An astronaut floating in space is falling, and falling all the time. An astronaut floating around in the International Space Station is still very much subject to Earth's gravitational pull. The gravitational force on that astronaut is only reduced by about 10% compared to the gravitational force the astronaut experiences on the surface of the Earth. The reason we call that phenomenon "weightlessness" is because the astronaut does not feel that gravitational force. In fact, an astronaut standing on the surface of the Earth doesn't feel that force, either.

What we feel as "weight" is all of the other forces acting on us. Suppose you are standing still on the surface of the Earth. The upward normal force exerted by the ground pretty much cancels the downward pull of gravity. You feel that upward force in your feet as your weight. That force propagates through your body. You feel the tension in your guts, your joints, and in your inner ear. Take away that tension (e.g., skydive out of an airplane) and you too will feel "weightless" even though the gravitational force hasn't changed a bit.

So could you say that "weight" is a function of resistance to free fall?

So, for example, a sky-diver falling through air has weight equal to the amount of wind-friction pushing up on her?

Related question: is weight reduced by the rotation of the Earth? I.e. if Earth was rotating half as fast, would the weight of objects be greater?

Before answering consider that if the Earth was rotating fast enough that its matter would break apart into a cloud of free-falling/orbiting fragments, then presumably all the fragments would be weightless in that they would be in free-fall.

So maybe the ground is only pushing up against our feet to the extent that it's not free-falling away from them due to the planet's rotation.


Designer gravity

The force F between two masses m1 and m2, when separated by a distance r, can be written as F = (G m1 m2)/r 2

Where G is the gravitational constant, first measured by Henry Cavendish in 1798. 1

This equation shows that gravity decreases as the separation distance, r, between two objects becomes large but never quite reaches zero.

The inverse-square nature of this equation is intriguing. After all, there is no essential reason why gravity should behave in this way. In a chance, evolving universe, some random exponent like r 1.97 or r 2.3 would seem much more likely. However, precise measurements have shown an exact exponent out to at least 5 decimal places, 2.00000. As one researcher put it, this result seems ‘just a little too neat.’ 2 We may conclude that the gravity force shows precise, created design. Actually, if the exponent deviated just slightly from exactly 2, planet orbits and the entire universe would become unstable.