Le voyage spatial à vitesse de distorsion est devenu un tout petit peu plus réaliste.

Un physicien utilise la théorie de la relativité générale et la géométrie pour expliquer ce concept de science-fiction.

Mario Borunda est professeur associé de physique à l’université d’État de l’Oklahoma. Cet article a été initialement publié dans The Conversation.

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L’étoile la plus proche de la Terre est Proxima Centauri. Elle se trouve à environ 4,25 années-lumière, soit environ 40 trillions de kilomètres. Le vaisseau spatial le plus rapide de tous les temps, la sonde Parker Solar Probe, actuellement dans l’espace, atteindra une vitesse maximale de 450 000 mph. Il ne faudrait que 20 secondes pour aller de Los Angeles à New York à cette vitesse, mais il faudrait à la sonde solaire environ 6 633 ans pour atteindre le système solaire voisin le plus proche de la Terre.

Si l’humanité veut un jour voyager facilement entre les étoiles, il faudra aller plus vite que la lumière. Mais jusqu’à présent, les voyages plus rapides que la lumière ne sont possibles que dans la -fiction.

Dans la série Fondation d’Issac Asimov, l’humanité peut voyager d’une planète à l’autre, d’une étoile à l’autre ou à travers l’univers en utilisant des moteurs de saut. Enfant, j’ai lu toutes les histoires que j’ai pu trouver. Aujourd’hui, je suis physicien théoricien et j’étudie les nanotechnologies, mais je suis toujours fasciné par la façon dont l’humanité pourrait un jour voyager dans l’espace.

Certains personnages – comme les astronautes des films Interstellar et Thor – utilisent des trous de ver pour passer d’un système solaire à l’autre en quelques secondes. Une autre approche, bien connue des fans de Star Trek, est la technologie des moteurs à distorsion. Les moteurs à distorsion sont théoriquement possibles, même s’ils sont encore très éloignés de la réalité. Deux articles récents ont fait les gros titres en mars lorsque des chercheurs ont affirmé avoir surmonté l’un des nombreux obstacles qui se dressent entre la théorie des moteurs à distorsion et la réalité.

Mais comment ces moteurs de distorsion théoriques fonctionnent-ils réellement ? Et les humains passeront-ils bientôt à la vitesse de distorsion ?

Compression et expansion

La compréhension actuelle de l’espace-temps par les physiciens provient de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. La relativité générale affirme que l’espace et le temps sont fusionnés et que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière.

La relativité générale décrit également comment la masse et l’énergie déforment l’espace-temps ; les objets lourds comme les étoiles et les trous noirs courbent l’espace-temps autour d’eux. Cette courbure est ce que l’on ressent comme une gravité et c’est pourquoi de nombreux héros de l’espace s’inquiètent de « rester coincés » ou de « tomber » dans un puits de gravité. Les premiers auteurs de science-fiction, John Campbell et Asimov, ont vu dans cette déformation un moyen de contourner la limite de vitesse.

Et si un vaisseau spatial pouvait comprimer l’espace devant lui tout en dilatant l’espace-temps derrière lui ? Star Trek a repris cette idée et l’a baptisée « distorsion ».

En 1994, Miguel Alcubierre, un physicien théorique mexicain, a démontré que la compression de l’espace-temps devant le vaisseau spatial et son expansion derrière lui étaient mathématiquement possibles dans le cadre des lois de la relativité générale. Alors, qu’est-ce que cela signifie ? Imaginons que la distance entre deux points soit de 10 mètres (33 pieds).

Si vous vous trouvez au point A et que vous pouvez parcourir un mètre par seconde, il vous faudra 10 secondes pour atteindre le point B. Toutefois, supposons que vous puissiez comprimer l’espace entre vous et le point B de sorte que l’intervalle ne soit plus que d’un mètre. Alors, en vous déplaçant dans l’espace-temps à votre vitesse maximale d’un mètre par seconde, vous seriez en mesure d’atteindre le point B en une seconde environ.

En théorie, cette approche ne contredit pas les lois de la relativité puisque vous ne vous déplacez pas plus vite que la lumière dans l’espace qui vous entoure. Alcubierre a montré que le moteur de distorsion de « Star Trek » était en fait théoriquement possible.

Alcubierre a estimé qu’un moteur de distorsion avec une bulle de 100 mètres nécessiterait la masse de tout l’univers visible.

Proxima Centauri, nous voilà, non ? Malheureusement, la méthode d’Alcubierre pour comprimer l’espace-temps a un problème : elle nécessite une énergie négative ou une masse négative.

Un problème d’énergie négative

Le moteur de distorsion d’Alcubierre fonctionnerait en créant une bulle d’espace-temps plat autour du vaisseau spatial et en courbant l’espace-temps autour de cette bulle pour réduire les distances. Pour fonctionner, le moteur de distorsion aurait besoin soit d’une masse négative – un type de matière théorique – soit d’un anneau de densité énergétique négative. Les physiciens n’ont jamais observé de masse négative, ce qui laisse l’énergie négative comme seule option.

Pour créer de l’énergie négative, un moteur de distorsion devrait utiliser une énorme quantité de masse pour créer un déséquilibre entre les particules et les antiparticules. Par exemple, si un électron et un antiélectron apparaissent près du moteur de distorsion, l’une des particules sera piégée par la masse, ce qui entraînera un déséquilibre. Ce déséquilibre se traduit par une densité d’énergie négative. Le moteur de distorsion d’Alcubierre utiliserait cette énergie négative pour créer la bulle d’espace-temps.

Mais pour qu’un moteur de distorsion génère suffisamment d’énergie négative, il faut beaucoup de matière. Alcubierre a estimé qu’un moteur de distorsion avec une bulle de 100 mètres nécessiterait la masse de tout l’univers visible.

En 1999, le physicien Chris Van Den Broeck a montré qu’en augmentant le volume à l’intérieur de la bulle tout en maintenant la surface constante, les besoins en énergie seraient considérablement réduits, pour atteindre à peu près la masse du soleil. Une amélioration significative, mais qui reste bien au-delà de toutes les possibilités pratiques.

Un avenir de science-fiction ?

Deux articles récents, l’un d’Alexey Bobrick et Gianni Martire et l’autre d’Erik Lentz, proposent des solutions qui semblent rapprocher les moteurs de distorsion de la réalité.

Bobrick et Martire ont réalisé qu’en modifiant d’une certaine manière l’espace-temps à l’intérieur de la bulle, ils pouvaient supprimer la nécessité d’utiliser de l’énergie négative. Cette solution ne permet toutefois pas de produire un moteur de distorsion capable d’aller plus vite que la lumière.

Indépendamment, Lentz a également proposé une solution qui ne nécessite pas d’énergie négative. Il a utilisé une approche géométrique différente pour résoudre les équations de la relativité générale et, ce faisant, il a découvert qu’un moteur à distorsion n’aurait pas besoin d’utiliser de l’énergie négative. La solution de Lentz permettrait à la bulle de voyager plus vite que la vitesse de la lumière.

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Il est essentiel de souligner que ces développements passionnants sont des modèles mathématiques. En tant que physicien, je ne ferai pas entièrement confiance aux modèles tant que nous n’aurons pas de preuves expérimentales. Pourtant, la science des moteurs à distorsion est en train de voir le jour. En tant que fan de science-fiction, je me réjouis de toutes ces idées novatrices. Comme le disait le capitaine Picard, les choses ne sont impossibles que lorsqu’elles ne le sont pas.