La lumière pousse : la pression de radiation
La lumière n'a pas de masse, mais elle transporte une quantité de mouvement. Sa poussée est infime, quelques micronewtons par mètre carré en plein soleil, et pourtant elle sculpte les queues des comètes, propulse des voiles spatiales et piège des cellules vivantes.
En 1619, Johannes Kepler remarque que la queue d'une comète pointe toujours à l'opposé du Soleil. Il imagine que la lumière solaire pousse la matière de la comète. L'intuition était juste, même s'il faudra près de trois siècles pour la démontrer : la lumière exerce une force sur ce qu'elle éclaire. On l'appelle la pression de radiation.
De Maxwell à Lebedev
Dans les années 1860, la théorie électromagnétique de James Clerk Maxwell prévoit que la lumière, onde électromagnétique, transporte une quantité de mouvement et doit donc exercer une pression sur toute surface qu'elle frappe. La physique quantique dira plus tard la même chose autrement : chaque photon d'énergie E porte une quantité de mouvement p = E/c, où c est la vitesse de la lumière.
Encore fallait-il mesurer une force aussi faible. Le physicien russe Piotr Lebedev y parvient en 1900, suivi en 1901 par les Américains Ernest Fox Nichols et Gordon Hull. Une grande difficulté tenait au gaz résiduel : quand la lumière chauffe une surface, les molécules de gaz qui la frappent rebondissent plus vite et produisent des forces bien plus grandes que la pression de la lumière. C'est d'ailleurs ce qui fait tourner le radiomètre de Crookes, ce moulinet à ailettes noires et blanches enfermé dans une ampoule et vendu comme objet de curiosité : il ne tourne pas sous l'effet de la pression de radiation, mais à cause des mouvements du gaz qui reste dans l'ampoule, provoqués par les différences de température entre les faces des ailettes.
Un ordre de grandeur
Un faisceau de puissance P entièrement absorbé exerce une force F = P/c. S'il est parfaitement réfléchi, les photons repartent en sens inverse et la force double :
F = \frac{2P}{c}
Au niveau de l'orbite terrestre, le Soleil apporte environ 1 361 watts par mètre carré. Sur une surface noire face au Soleil, cela donne une pression d'environ 4,5 micronewtons par mètre carré, et sur un miroir parfait environ 9,1 micronewtons par mètre carré, soit le poids, sur Terre, d'un peu moins d'un milligramme. Une vraie voile, qui ne réfléchit pas tout, reçoit un peu moins, de l'ordre de 8 micronewtons par mètre carré.
C'est minuscule, mais c'est gratuit et permanent. Dans le vide, sans frottement, une petite force qui agit pendant des mois finit par produire de grandes vitesses, sans une goutte de carburant.
Des comètes aux voiles solaires
Les comètes en donnent la démonstration la plus spectaculaire. Chauffé par le Soleil, le noyau libère du gaz qui entraîne des poussières. Le gaz forme une queue assez rectiligne, chassée surtout par le vent solaire ; les poussières, poussées par la pression de radiation, dessinent une queue plus large et courbée.
Les ingénieurs ont repris l'idée avec la voile solaire. En 2010, la sonde japonaise IKAROS a déployé une voile de 200 m² et démontré la propulsion par la lumière en route vers Vénus. LightSail 2, de l'association américaine The Planetary Society, a suivi en 2019. Le 23 avril 2024, la NASA a lancé ACS3, un petit satellite de la taille d'un four à micro-ondes qui a déployé une voile d'environ 80 m², tendue par des mâts en matériau composite de 7 mètres. Sur une telle surface, la poussée maximale n'atteint pas un millinewton.
La NASA prépare maintenant S5, une voile de 1 653 m², la plus grande jamais construite selon l'agence, épaisse de 2,5 micromètres. Elle doit partir en novembre 2029 avec la mission SOLAR-A de l'agence américaine NOAA, pour tenir une position entre la Terre et le Soleil impossible à garder sans voile, d'où elle pourrait surveiller les tempêtes solaires.
Et sur Terre ?
La pression de radiation a aussi trouvé sa place dans les laboratoires. Un faisceau laser fortement focalisé peut retenir une bille microscopique, une bactérie ou une cellule, et la déplacer sans la toucher : ce sont les pinces optiques, inventées par l'Américain Arthur Ashkin, qui ont valu à leur inventeur le prix Nobel de physique en 2018. Les biologistes s'en servent pour manipuler des cellules et mesurer les forces minuscules exercées par les molécules du vivant. Le refroidissement d'atomes par laser repose, lui aussi, sur les petites poussées des photons.
Pour Anthropolaris, cette force discrète est un outil à double usage. Une voile placée en deçà du point d'équilibre entre la Terre et le Soleil détecterait plus tôt les tempêtes solaires qui menacent satellites et réseaux électriques (voir la marche A-SPC-04). Et les réseaux capables de stabiliser un objet par la seule pression de la lumière pourraient servir à manipuler sans contact des micro-composants (voir la marche A-SPC-02).
Reste à passer de la lumière du Soleil à celle d'un laser des millions de fois plus intense, et des voiles de quelques dizaines de mètres carrés à des voiles assez légères pour atteindre une fraction de la vitesse de la lumière. La physique est connue depuis Lebedev ; les matériaux, eux, restent à inventer.