samedi 23 janvier 2016

Les vaisseaux organiques

Les vaisseaux organiques sont des vaisseaux « vivants » :

- les vaisseaux wraiths dans Stargate,
 
 

- les vaisseaux de l'espèce 8472 dans Star Trek,




- les appareils Vorlons et shadows dans Babylon 5,
  

  

 
- le TARDIS dans Doctor Who,


- et les vaisseaux des Yuuzhan Vong dans l'univers étendu de Star Wars.
 
 


- les Vaisseaux-Tyran dans Spelljammer
- ou encore les vaisseaux Scrins du jeu vidéo Command and Conquer 3


Les vaisseaux organiques sont souvent déconcertants pour leurs adversaires plus conventionnels car ils emploient parfois, comme c'est le cas des Yuuzhan Vong un armement contre lequel les vaisseaux mécaniques n'ont que peu ou pas de défense. L'armement des Vong, par exemple, causa de terribles pertes aux habitants de la galaxie de Star Wars, car les boucliers déflecteurs utilisés par leurs vaisseaux étaient inopérants face aux armes des extra-galactiques.

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Le Lexx est un gigantesque vaisseau semi-organique insectoïde appartenant à la délirante série télévisée de science-fiction : LEXX. Après certaines modifications génétiques il est devenu l’arme la plus destructrice de l’univers, capable d’annihiler des planètes. Le vaisseau a été dérobé à Sa Divine Nécrose par une équipe de renégats constituée de la pin-up à l’ADN de lézard Xev, de l’assassin programmé Kai, du capitaine incapable Stanley H Tweedle et du robot amoureux 790.

Comme tout être vivant, Lexx a besoin de se nourrir, et pour ce faire il absorbe les matières spatiales. Il dispose de petits vaisseaux tout comme lui semi-organiques qu’utilise parfois l’équipage. Lexx possède une forme singulière se rapprochant à la fois de la libellule et d’organes génitaux masculins (tout dépend dans quel sens vous le regardez…), la série s’avérant très portée sur l’érotisme.

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Guild Heighliners from the Dune universe


Autres formes que le traditionnel cylindre :

It consists of 2 counter rotating hollow bays with access between the 2 running through the central core were the Holtzmann Space Folding engines are located. There has never been a definite description of these massive vessels in the books let alone their true size however there is a quote stating they are tens of kilometers in length so they're damn big ! Around 100 km.

 
 sources d'inspiration

L'exception à la règle de la forme sphérique au-delà du diamètre 500km : (136108) Hauméa

Hauméa, officiellement désignée comme (136108) Haumea soit (136108) Hauméa en français, est une planète naine transneptunienne (un plutoïde) du Système solaire membre de la ceinture de Kuiper.

Suivant les recommandations de l'Union astronomique internationale, l'objet doit être formellement nommé d'après une divinité liée à un mythe de création. L'équipe de Brown a transmis des noms provenant de la mythologie hawaïenne en septembre 2006 pour 2003 EL61 et ses deux satellites « pour rendre hommage à l'endroit où ces satellites ont été découverts. » Cependant, puisque les découvreurs d'un objet ont le droit de le nommer pendant les dix années qui suivent sa découverte, et puisque l'équipe d'Ortiz est désormais créditée de celle de 2003 EL61 et celle de Brown de ses satellites, l'UAI en date du a dénommé 2003 EL61 Hauméa, déesse hawaïenne de la fertilité et de la naissance, et les deux satellites, provisoirement surnommés « Rudolphe » et « Éclair » (« Rudolf » et « Blitzen » en anglais ; noms de deux des rennes du père Noël), reçurent les noms de Hiʻiaka et Namaka, deux des filles de Hauméa. Le même jour, Hauméa a été classée en planète naine et en plutoïde.


Hauméa possède deux satellites naturels connus, une rotation très rapide (moins de 4 h), une forme ellipsoïdale et un albédo élevé causé par des cristaux de glace d'eau à sa surface, ce qui en fait un membre exceptionnel parmi les cubewanos. On pense qu'il est également le composant principal d'une famille d'objets créée après un impact responsable de ses caractéristiques inhabituelles. Certains de ces objets, comme (145453) 2005 RR43, ont un diamètre important.
Dans sa plus grande dimension, Hauméa mesurerait entre 1 960 et 2 500 km, à peine moins que Pluton et deux fois plus que Cérès, la plus petite planète naine reconnue. Sa masse atteindrait un tiers de celle de Pluton.

 Vue d'artiste de (136108) Hauméa et de ses satellites, Hiʻiaka (en bas à droite) et Namaka (en haut à gauche)

 Rotation de Hauméa.

The calculated ellipsoid shape of Haumea, 1,960×1,518×996 km (assuming an albedo of 0.73). At the left are the minimum and maximum equatorial silhouettes (1,960×996 and 1,518×996 km); at the right is the view from the pole (1,960×1,518 km).


Géométrie des corps célestes

 
 
– Pourquoi les planètes sont-elles toujours aussi rondes?
– Parce que sinon ce ne seraient pas des planètes! répondis-je, un peu énervé par les questions de ce petit bonhomme. J’avais lu quelque part que seuls les corps en forme de sphère ont droit au titre de planète quand ils tournent autour d’une étoile. Mais comme toujours, il continua comme s’il ne m’avait pas entendu.
– Un monde où la gravité dominerait toutes les autres forces serait trop triste, reprit-il. Jamais elle n’aurait laissé fleurir ma rose ni grandir mon mouton sur ma planète. Elle déteste les formes biscornues. La seule chose qu’elle supporte ce sont des sphères, des horribles boules toute rondes et sans aspérité.
– Elle n’avait pas l’air bien ronde, pourtant ta planète, Petit Prince?
– Oh, non alors! Elle était bien trop petite. Et il partit d’un grand éclat de rire…[1]
 
Ce n’est que bien plus tard, en fouillant sur internet que je réalisai à quel point il avait raison… Jusque là je croyais que la forme ronde d’une planète venait du fait qu’elle s’était formée à l’état liquide et que la tension de surface y avait agi comme sur une goutte d’eau ou une bulle de savon: pour un volume donné la sphère correspond à la forme de surface (donc de tension) minimale. Pas d’histoire de gravité ou d’effet de taille là-dedans. Mais c’est là bien sûr où mon explication cloche: il suffit de regarder le zoo des corps célestes en fonction de leur taille [2]…

(source ici)
 
Il y a effectivement un rapport direct entre la taille des corps célestes et leur forme:
– En dessous de cinquante kilomètres toutes les formes sont permises, même les plus étranges.
– Entre cinquante et trois cents kilomètres ce sont des patatoïdes.
– Au-delà de 300 km on ne trouve que des boules.

Quelle est la hauteur des montagnes?
 
Et puis on s’aperçoit aussi que contrairement à l’intuition, plus la planète est grande, moins ses montagnes sont hautes! Alors que Mars est deux fois plus petite que la Terre, le Mont Olympe fait trois l’altitude de l’Everest. D’accord c’est difficile de parler d’altitude sur une planète où il n’y a pas d’eau. Mais même en tenant compte de la partie immergée des volcans, le recordman terrestre, Mauna Kea (Hawaï) n’arrive qu’à mi-hauteur de son homologue martien:

(source Wikipedia)

Si l’on y réfléchit bien, cette histoire de montagnes est moins paradoxale qu’il n’y paraît. Sur une planète plus petite, la gravité est moindre et les choses peuvent plus facilement monter haut. Une montagne peut s’élever tant que sa base supporte son propre poids. Si elle est trop haute, il s’exerce une telle pression à sa base que celle-ci “fond” et la montagne n’est plus stable. La hauteur maximale d’une montagne est donc celle pour laquelle le poids de la montagne exerce une pression limite sur sa base.
Un petit calcul [3] montre que cette hauteur maximale varie à l’inverse de la taille de la planète:
 

Une planète deux fois plus petite doit donc avoir des montagnes deux fois plus hautes (si sa composition, sa densité, tout ça sont pareilles): exactement les proportions qu’on observe entre Mars et la Terre!Plus c’est gros, plus c’est rond…

Maintenant que le mystère des montagnes est élucidé, on est en mesure de comprendre la forme des planètes. La gravité attire toute la matière vers le centre de la planète, elle a donc tendance à créer des formes rondes, qui sont les plus compacts qui soient (celles qui minimise la distance entre les points les plus lointains). Mais cette quête de rotondité est sans arrêt perturbé par les chocs avec d’autres corps célestes, l’activité volcanique, l’érosion etc. La planète n’a une forme de sphère que si elle réduit en poussière toute irrégularité trop grande par rapport à sa propre taille.
Supposons qu’on considère comme sphérique une boule dont les irrégularités de surface ne dépassent pas 50% de son rayon par exemple. On peut réutiliser le petit modèle qu’on a fait plus haut en imposant que hmax = 0,2 x R (la montagne la plus élevée fait 50% du rayon de la planète).
Cela impose que R² soit plus grand que  3Pmax/(0,5 x 4 G²)
En prenant pour Pmaxla pression limite des silicates (10 000 bar soit 109 Pa) et pour ρ une densité moyenne de 3 (soit 3000 kg/m3), on trouve qu’une planète est ronde si son rayon est supérieur à quelques centaines de kilomètres: pile le bon ordre de grandeur alors que le modèle est vraiment très primitif!

Force électrique contre gravitation

Reste à comprendre ce qui se passe en dessous de cette taille critique. Qu’est-ce qui donne sa cohésion à la matière et lui donne des formes stables dans le temps? Ecartons déjà les interactions nucléaires fortes ou faibles, qui n’ont d’effet qu’à l’échelle de l’atome (10-9m). Il n’y a que deux candidats sérieux à notre échelle (entre disons 1 cm et 1km): la force de gravité dont on vient de parler, et l’attraction électrique qui « accroche » les molécules les unes aux autres. Ces deux forces décroissent de la même façon avec le carré de la distance. Mais leur différence d’intensité est colossale. On peut pour s’en faire une idée comparer leur effet respectif sur une particule élémentaire comme le proton, servant d’étalon pour l’unité de masse et pour l’unité de charge:
L’attraction gravitationnelle entre deux protons distants de un mètre l’un de l’autre vaut
Fgrav ~ Gm² = 10-10 (10-27)2=10-64N, pas grand chose donc.
A côté de ça, leur répulsion électrique  vaut Felec=q2/4πε ~ 1010(10-19)2= 10-28 N, pas grand chose non plus mais infiniment plus que la force de gravité! Le rapport entre ces deux forces est de 1036, c’est-à-dire à peu près le même qu’entre entre la taille d’un atome (10-10m) et celle de l’univers observable (10 milliards d’années lumière soit 1026m)!
« Unitairement », la gravitation ne pèse donc RIEN (si j’ose m’exprimer ainsi) par rapport aux forces électriques. Mais alors pourquoi la gravitation deviendrait-elle prépondérante sur la force électrique à l’échelle d’une grosse planète? La réponse vient du fait que les forces électriques sont certes très puissantes, mais elles peuvent être soit attractives ou soit répulsives suivant le signe des charges. Dans un morceau de matière électriquement neutre, la force électrique exercée par les milliards d’électrons qui s’y trouvent est certes monstrueuse, mais elle est très exactement compensée par une force inverse, créée par les milliards de protons qui s’y trouvent aussi. Comme deux frères jumeaux très costauds qui tireraient une corde chacun dans un sens opposé. « L’équilibre est si parfait, expliquait Feynman dans une de ses conférences, que lorsque vous vous tenez près de quelqu’un d’autre, vous ne sentez aucune force. S’il y avait un très léger déséquilibre vous le sauriez. Si vous vous teniez à un bras de distance de quelqu’un et que chacun de vous ait un pour cent d’électrons de plus que de prodtons, la force de répulsion serait incroyable (…) La répulsion serait suffisante pour soulever une masse égale à celle de la Terre entière.” C’est un peu la même histoire que pour la pression atmosphérique, dont on a du mal à croire qu’elle représente une force de 1kg sur chaque cm2 de notre corps.

Echelle arithmétique contre échelle géométrique

Du fait de ces effets de masquage, la force électrique se réduit donc à une portée très locale: elle ne se fait sentir qu’au niveau moléculaire pour accrocher les atomes les uns aux autres. C’est donc elle qui donne sa cohérence aux objets qui nous entourent, à la matière ordinaire. Mais en l’absence d’effet cumulatif, la « force de cohésion » d’origine électrique est indépendante de la taille des objets. La force qu’il faut déployer pour arracher un clou à son support est indépendante des dimensions du mur et il n’est pas plus dur de puiser de l’eau dans un grand lac que dans un petit.
Il en va tout autrement de la force de gravitation car l’attraction gravitationnelle étant toujours attractive, ses effets se cumulent de façon exponentielle. Certes la force exercée par un proton sur un autre est ridicule, mais si regardons ce qui se passe quand on considère non pas deux mais n protons [4]:
L’énergie de liaison entre deux protons vaut Eij=Gm/rij, rij étant la distance entre les deux.
Il y a n² couples de protons , n(n-1) pour être précis, donc l’énergie globale vaut ∑Eij=n²Gm/r², r étant la distance moyenne entre deux protons. Cette distance moyenne est proportionnelle à r~n1/3 car le volume occupé par les protons est proportionnel à leur nombre.
L’énergie de liaison totale vaut donc ~ n²/n1/3~n5/3, soit un peu moins vite que le carré du nombre de protons dans le système.On n’est pas très habitué aux systèmes non linéaire comme celui-ci, où l’effet n’est pas proportionnel à la cause. Pour vous en donner une idée, prenez une grande feuille de papier et pliez-la en deux, puis encore en deux etc. Sans faire de calcul, à quelle hauteur de papier imaginez-vous que l’on atteindrait au bout de trente pliages? Perso j’aurais dit quelques mètres… et j’étais complètement à côté de la plaque. Au bout de trente pliages, en prenant une feuille de 0,1 mm d’épaisseur, la couche de papier atteint plus de 100km de haut! L’énergie gravitationnelle augmente d’une façon très similaire: insignifiante au départ, elle s’accroît très vite jusqu’à éclipser toutes les autres forces à l’échelle astronomique…
Toutes? Non, bien sûr. Certains grands objets célestes refusent de se soumettre au dictat de la gravitation, même à très grande échelle: une galaxie, par exemple ou le disque de Saturne. Ou bien encore les nébuleuses gigantesques qu’on confond parfois avec des galaxies.
 
 
Si le zoo cosmologique conserve autant de diversité dans ses formes c’est qu’à chaque fois d’autres sources d’énergie encore plus colossales que la gravitation parviennent à contrecarrer les effets arrondissant de la gravitation. La force centrifuge, crée par la rotation très rapide des corps en orbite, est suffisamment puissante pour aplatir les galaxies et les disques d’accrétion. Quand aux nébuleuses, c’est une température folle qui agite les molécules de gaz et les empêche de se laisser capturer par l’attraction gravitationnelle. La concurrence est rude dans l’espace!
 
NB. J’ai utilisé dans ce billet indifféremment le mot de gravité et de gravitation. Grave erreur, mea maxima culpa, mais vous corrigerez de vous-même…

Sources:
[1] Cette image m’a été inspirée par une phrase de Trinh Xuan Thuan (“Le chaos et l’harmonie” (très bon livre!) que j’ai mis du temps à comprendre:
“A l’échelle des choses de la vie, la force électromagnétique a toujours le dernier mot. Et heureusement pour nous, car un monde où la gravité dominerait serait bien morne et triste: la sphère serait la seule force permise, et les délicats contours d’un pétale de rose, les formes parfaites d’une statue de Rodin, la dentelle de fer de la tour Eiffel nous seraient inconnus”.
[2]  Lineweaver & Norman “The Potato Radius:  a Lower Minimum Size for Dwarf Planets” (2010)
[3] Le calcul est détaillé dans le site sciences.ch et sur le livre “Astronomie et astrophysique: cinq grandes idées pour explorer et comprendre “ de Séguin et Villeneuve
[4] Voir le cours de Roland Lehouq “La masse en astrophysique” (2002) ou la conférence de Lévy-Leblond “Pourquoi les planètes sont rondes” (2002) (…avec l’image du Petit Prince à la fin ;-))


Source : http://webinet.cafe-sciences.org/articles/geometrie-des-corps-celestes/

vendredi 22 janvier 2016

A la fin du XXIème siècle ...


Durant la Guerre Froide (1947-1991), qui correspond aussi à l'âge d'or de la science-fiction (entre 1920 et 1955 aux Etats-Unis), de nombreux récits de science-fiction mettent en scène un monde post-apocalyptique, ravagé par les armes nucléaires. Les auteurs décrivent des déserts radio-actifs, des créatures mutantes, des nomades à la recherche des vestiges de l'ancien monde et puis quelques survivants parqués dans des villes coupées de l'extérieur. Ces récits ont inspiré nombre de séries télévisées et de bandes dessinées telles : L'âge de cristal (Logan's run), Hans, Judge Dredd ...




Mais depuis une vingtaine d'années, c'est le réchauffement climatique qui inspire les auteurs de dystopies. C'est en effet en 1992, que plusieurs pays ont rédigé un traité international, -- la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC)-- en vue de considérer ce qui pouvait être fait pour réduire le réchauffement global et faire face à toute hausse inévitable des températures, fonte des glaces et hausse du niveau des océans.



Dans les récits de science-fiction post-apocalyptiques, on trouve désormais, tour à tour : des continents recouverts par l'océan (Hunger Games, Waterworld ...), des mondes glacés (Le Transperceneige, La compagnie des glaces ...), des déserts arides et des mers asséchées (Nioursk), ...

 

Le monde est devenu violent (Mad Max ...) et les survivants doivent encore échapper à la menace des machines (Terminator), quand celles-ci ne les ont pas asservis pour utiliser leurs corps comme source d'énergie (Matrix).





Ainsi, les peurs de la bombe atomique et du dérèglement climatique se combinent avec la peur des nouvelles technologies : réseau télématique international (internet), intelligences artificielles, nanorobots, etc.

Comment concilier ces différentes version d'une ''fin du monde'' au XXIème siècle ?

J'utilise comme point de départ la ''Sonde Baleine'' (Whale Probe) aperçue dans Star Trek IV


Cette méga-structure (approximativement 90 km), gigantesque comparée aux 4km de la base spatiale humaine, immobilise tous les vaisseaux qui s'approchent d'elle et commence à vaporiser d'immenses volumes d'eau. Spock analyse les transmissions de cet énigmatique engin et découvre qu'il s'agit d'une variante des chants de baleines à bosse malheureusement chassées jusqu'à l'extinction par les humains. Aucune chance qu'elles répondent et mettent fin à la menace extra-terrestre ... 


... à moins d'un périlleux voyage dans le temps pour aller chercher les deux derniers spécimens vivants en captivité : George et Gracie.


Mais on peut aisément imaginer la colère des bâtisseurs de la Sonde Baleine s'ils apprenaient que l'humanité a provoqué l'extinction de leurs semblables ! Et nul besoin de revenir avec un arsenal extra-terrestre colossal ; il suffit d'utiliser tout le potentiel de destruction déjà sur place : en retournant les armes des humains contre eux-mêmes. Facile quand on possède une technologie supérieure et que tout peut être télécommandé via les satellites artificiels et internet.

Les intelligences artificielles se retournent contre leurs créateurs en déclenchant une guerre thermonucléaire totale. D'immenses quantités de produits chimiques sont dispersées dans l’atmosphère terrestre (dont l’agent chimique CW7, censé enrayer le réchauffement climatique). Les robots n'ont plus ensuite qu'à traquer les survivants.

Le résultat est doublement catastrophique puisqu’il marque :
- le début d’une nouvelle ère glaciaire
- en asséchant en proportion égale les océans des zones tropicales et tempérées (les eaux transformées en calottes glacières manquant désormais dans les océans).
Les zones émergées, non-glacées, non-arides et non-polluées par les radiations sont rares !

L'auteur John Varley situe justement son cycle des Huit mondes dans un système solaire où la Terre a été dévastée par une puissance extra-terrestre supérieure lors de la Guerre des Trois Jours (qui dura probablement moins de trois jours). Les habitants des huit colonies humaines du système solaire se retrouvent soudainement coupés de la maison-mère et doivent survivre coûte que coûte.



La Terre a donc subi les foudres d'une civilisation astropérégrine de cétacés (peut-être des inhalateurs d'hydrogène natifs d'une géante jovienne, comme les Zangs du cycle de l'Élévation).

 

La planète-mère subit des bouleversements climatiques catastrophiques et une auto-destruction de son espèce dominante : l'humanité. Quelques survivants régressent dans la barbarie, sur Terre, tandis que les huit colonies du système solaire et une poignée de vaisseaux-à-générations conservent ou emportent le savoir technologique d'avant la Guerre des Trois Jours.


Les colons du Premier Âge de l'Espace ne reviendront que quelques siècles plus tard ...


... juste au moment où l'humanité aura surmonté l'épreuve et sera enfin prête à se lancer vers les étoiles.