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Gravity : Entretien avec le physicien Alberto Amo

Gravity

Alberto Amo est docteur en physique à l’Université autonome de Madrid. Depuis 2010, il est chargé de recherche au Laboratoire de Photonique et Nanostructures du CNRS à Marcoussis, où il étudie des propriétés optiques de microstructures semiconductrices, à la base des sources de lumière de grande efficacité et basse consommation. À l'occasion de la sortie en DVD du film d'Alfonso Cuaron, nous lui avons demandé de nous donner son point de vue sur Gravity. 

Zéro de conduite.net : En tant que physicien qu’avez-vous pensé de Gravity d'Alfonso Cuaron ?

Alberto Amo : C'est un film qui pour les physiciens fait date car, pour la première fois il montre l'espace de manière très réaliste. Le réalisateur Alfonso Cuaron a pris le soin de respecter les lois fondamentales de la physique telles que la conservation de l’énergie et surtout de l'impulsion (ou quantité de mouvement). Ces lois de conservation déterminent les trajectoires et mouvements des personnages quand ils flottent dans l'espace. Cela donne ainsi une réelle impression de ce qui arrive dans l’espace. On est très loin de films de science-fiction comme Star Wars ou Star Trek, totalement invraisembables du point de vue de la physique. Il faut plutôt rapprocher Gravity d'un film comme 2001, l’Odyssée de l’espace, dans lequel les lois de la physique sont respectées : on peut citer la station spatiale en forme d’anneau, qui tourne sur elle-même pour créer une gravité artificielle (afin que ses occupants puissent se déplacer comme sur la terre).

Quelles sont les scènes de Gravity qui illustrent le mieux ce réalisme ?

A.A. : Le film commence par un texte sur fond noir : « À 600 km au dessus de la planète Terre, les températures oscillent entre +125 et -100 degrés Celsius. Il n’y a rien pour porter le son : ni pression atmosphérique, ni oxygène. Toute vie dans l’espace est impossible ». Aucun son n’est audible car il n’y a pas d’air pour transmettre le son. Dans l’espace, le vide règne : ni air, ni friction. Si un objet se met en mouvement, il ne peut pas s’arrêter. Les scènes du film Gravity durant lesquelles les personnages se mettent à tourner sur eux-mêmes parce qu’ils reçoivent un impact sont réalistes. Sur terre, quand on pousse un objet par terre, il s’arrête au bout d’un moment parce qu’une friction s’exerce. Un échange s’opère entre l’objet et son entourage, l’air et la terre sur lequel l’objet bouge. Dans l’espace, comme il n’y a ni air, ni terre, si on veut stopper un mouvement, il faut transmettre ce mouvement à un autre objet.  

Ce qui signifie concrètement…

A.A. : Si je suis en mouvement, je transmets mon mouvement à un objet et du coup je vais perdre une partie de mon mouvement, je vais freiner un peu. On le voit très bien dans le film lors des collisions. Un élément transfère une partie de son mouvement à un autre et cela modifie la dynamique du système. Quand, par exemple, Ryan Stone (Sandra Bullock) tamponne Matt Kowalski (George Clooney), au lieu de ralentir, ils se repoussent l’un l’autre vers une direction opposée. Lorsqu’ils s’éloignent et que le câble qui les relie arrive à son extension maximale, une contre force s’exerce et ils se rapprochent. Ils s’approchent et s’éloignent comme cela en permanence.  

Avez-vous noté des incohérences dans le film ?

A.A. : Une erreur a particulièrement retenu mon attention dans la mesure où elle constitue un élément clé du scénario. Il s’agit de la scène durant laquelle Matt Kowalski se perd dans l’espace après s’être détaché du câble qui le reliait à Ryan Stone. Dans l'espace, George Clooney ne devrait pas bouger par rapport à Sandra Bullock, pour les raisons que l'on vient d'expliquer (absence de frottement). Cela m’a surpris car tout le reste du film est vraiment réaliste. C’est tout de même sur la base de cette invraisemblance qu’un des personnages principaux disparaît ! 

L’accident qui arrive dans le film met le doigt sur un problème bien réel : la pollution de l’espace...

A.A. : Le "syndrome de Kessler" est l’hypothèse d’un consultant de la NASA selon laquelle la quantité des débris spatiaux en orbite basse atteindrait un seuil au-dessus duquel les objets en orbite seraient souvent frappés par des débris, amplifiant et de façon exponentielle le nombre des débris et la possibilité de collisions. C’est un exemple de réaction en chaîne. Cela représente un danger pour les coûteux satellites de communication qu'il est nécessaire de conserver en orbite. Même tout petits, ces débris gravitent à une vitesse extraordinaire. À cette vitesse, même une poussière peut entraîner des dégâts matériels. Sans parler du danger pour les astronautes.

Le mouvement orbital est-il infini ?

A.A. : Pour qu’un objet soit en orbite, il faut qu’il ait une vitesse assez importante, parallèle à la surface de la Terre. Il s’opère ensuite une sorte de chute permanente. Comme si l’objet essayait de tomber par terre sans y parvenir. À 400 kilomètres au-dessus de la Terre, il y a tout de même quelques molécules de gaz. Avec le frottement atmosphérique, ces objets perdent doucement de l'altitude. Le débris vont donc descendre petit à petit jusqu’à entrer dans l'atmosphère. À partir de 100-130 kilomètres, ils vont se heurter aux couches denses de l'atmosphère, s'échauffer puis fondre. C'est le cas également pour les satellites. La Station spatiale internationale est à 400-450 kilomètres d'altitude : il faut que l'on remonte périodiquement son orbite parce qu'elle descend progressivement.  

S'ils se déplacent à la même vitesse, comment les débris peuvent-ils entrer en collision avec les satellites ?

A.A. : Les éléments qui gravitent sur une orbite similaire évoluent à la même vitesse mais peuvent aller dans des directions différentes. Les débris, de même que les stations spatiales peuvent orbiter Pôle Nord – Equateur ou dans le sens inverse : Pôle Sud – Equateur - Pôle Nord, ou bien encore autour de l’Équateur. Tous ces éléments se croiseraient ainsi de temps en temps. C’est ce qui se passe dans le film. Mais les débris spatiaux circulent à une vitesse de plusieurs kilomètres à la seconde, c'est-à-dire plus vite qu'une balle de fusil. Les astronautes ne pourraient pas les voir s’approcher, contrairement à ce que l'on voit dans le film. 

Comment est-ce qu’on « remonte » une station spatiale ? 

A.A. : Comme avec le principe de l’extincteur. C’est une réaction chimique explosive, une histoire de conservation de mouvements. Pour soulever une grande masse de matériel, un vaisseau par exemple, on jette un autre matériel vers le bas, à une vitesse énorme. On produit une grande quantité de mouvement. En réaction, le vaisseau monte vers le haut. On utilise le même principe pour faire remonter la station spatiale. Il s’agit de la Troisième loi de Newton ou du principe des actions réciproques. Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B. 

Avez-vous constaté d’autres erreurs ? 

A.A. : Le télescope spatial Hubble et la Station spatiale internationale ne se trouvent pas sur le même plan orbital. Les orbites décrites se croisent rarement (et dans ce cas avec un écart d'altitude d'environ 200 km) Les deux engins spatiaux après s'être croisés s'éloignent l'un de l'autre à environ 12 000 km/h. Les deux héros du film auraient dû produire un effort énergétique considérable pour changer de vitesse et d’orbite afin d'atteindre la station spatiale durant le court instant où celle-ci aurait été à leur portée. On parle de vitesse phénoménale ! Si on change de quelques centaines de kilomètres de hauteur, il faut accélérer ou freiner énormément. Cela dit, la scène durant laquelle Sandra Bullock se déplace grâce à un extincteur est bien trouvée, car c’est sur ce principe que ça fonctionne. Sur terre, si on utilise un extincteur, le frottement de notre corps avec le sol et avec l'air nous empêche d’être projeté.  

Au delà de la physique, le film comporte une portée métaphysique... 

A.A. : L’idée de renaissance est omniprésente dans le film, notamment à travers le personnage joué par Sandra Bullock. Les témoignages d’astronautes révèlent que le fait d’être dans l’espace et sortir de la terre permet d’appréhender la planète Terre autrement. Un peu comme lorsqu’on quitte son pays et que, de l’étranger, on le regarde différemment. Il existe une image très célèbre, une des premières photographies qui ont été prises quand les américains sont allés sur la Lune. On y voit la Terre qui se lève au dessus de l’horizon de la Lune. La perspective est intéressante car c’est l’inverse de celle qu’on a d’habitude sur Terre. De notre planète, on observe la Lune ou le Soleil se lever. Sur cette image, la Terre est perçue comme un élément extérieur. Le point de vue de l’espèce humaine qui se pense au centre de l’univers est renversé. J'ai cité 2001 L'Odyssée de l'espace : ces deux films montrent que l'on peut construire de belles images tout en restant fidèles aux lois de la physique. On a coutume d'opposer science et imagination. Je crois au contraire que la portée des images est plus grande lorsqu’elles sont réalistes. Parole de physicien !

Propos recueillis par Magali Bourrel, mars 2014

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