Relativité Générale - LUTh - Observatoire de Paris

76 Champ gravitationnel à symétrie sphérique (métrique de Schwarzschild)
Cette situation est différente du cas newtonien, où dès que ℓ = 0, Veff(r) présente
toujours un minimum et pas de maximum (cf. la courbe en pointillés fins sur la Fig. 3.6,
dont le minimum est indiqué par un cercle non rempli). La remontée du potentiel newtonien
lorsque r → 0 est due au terme ℓ 2 /(2r 2 ), qui domine alors le potentiel gravitationnel
−GM/r [cf. Eq. (3.98)] : il s’agit de la barrière centrifuge qui interdit à la particule
d’approcher r = 0 lorsque ℓ = 0. Le cas relativiste diffère du cas newtonien par le terme
additionnel −GMℓ 2 /(c 2 r 3 ) dans Veff(r) [comparer les Eqs. (3.94) et (3.98)]. Lorsque r → 0,
ce terme en 1/r 3 domine le terme centrifuge en 1/r 2 et, étant de signe opposé, provoque
Veff(r) → −∞ plutôt que Veff(r) → +∞.
3.5.3 Orbites circulaires
Lorsque |ℓ| > ℓcrit, des considérations sur l’Eq. (3.93) tout à fait analogues à celles
sur le mouvement potentiel unidimensionnel en mécanique classique font conclure que le
point r = rmin est une position d’équilibre stable. Comme il s’agit d’une valeur fixe de r,
cela correspond à une orbite circulaire. La valeur de r est reliée à ℓ via l’expression (3.105)
de rmin :
r
= ¯ ℓ 2
1 + 1 − 3
¯ℓ 2
. (3.106)
RS
Désignons par Ω la vitesse angulaire orbitale de la particule mesurée par un observateur
statique à l’infini. On peut la calculer de la manière suivante. Supposons que la particule
émette un photon dans la direction radiale depuis un point de coordonnées (tem 1 , rem =
r, π/2, ϕem 1 = ϕ0) et que ce photon parvienne à un observateur statique distant O en un
point de coordonnées (trec 1 , rrec, π/2, ϕrec 1 ), avec rrec ≫ r et ϕrec 1 = ϕ0 (puisque le photon
emprunte une géodésique radiale). Supposons que la particule émette un deuxième photon
en direction de l’observateur O lorsqu’elle a fait un tour complet sur son orbite : les
coordonnées de cet événement sont (tem 2 , rem = r, π/2, ϕem 2 = ϕ0 + 2π) avec
t em
2 = t em
−1 dϕ
1 + 2π . (3.107)
dt
Soit alors (t rec
2 , rrec, π/2, ϕ0) les coordonnées de la réception du photon par O. Nous avons
vu au § 3.4.3 qu’en vertu de la stationnarité de l’espace-temps de Schwarzschild,
t rec
2 − t rec
1 = t em
2 − t em
1
(3.108)
[cf. Eq. (3.73) et Fig. 3.4]. Par ailleurs, puisque l’observateur O est situé dans la région
asymptotique, son temps propre est donné par la coordonnée de Schwarzschild t. La vitesse
angulaire qu’il mesure en comptant le temps écoulé entre la réception des deux photons
est donc
Au vu de (3.108), il vient
2π
Ω =
trec 2 − trec . (3.109)
1
Ω =
2π
tem 2 − tem , (3.110)
1