Cet article a précédemment été publié dans le Bifrost n°19, paru en novembre 1999 et dans le livre SF, la science mène l'enquête, paru en 2007 et toujours disponible aux éditions Le Pommier.

Arthur Charles Clarke, auteur de Rendez-vous avec Rama, est surtout connu pour son roman 2001, l'odyssée de l'espace qui n'est pas, à mon sens, l'un de ses meilleurs. La polarisation médiatique sur cette œuvre, et sur ses suites à vocation très commerciale, a certainement contribué à masquer le reste de son œuvre foisonnante. Passionné d'astronomie et membre de la British Astronomical Society, spécialiste des radars pendant la seconde guerre mondiale, Arthur C. Clarke est aussi l'inventeur du concept d'ascenseur spatial, décrit dans son roman Les fontaines du paradis et dans le chapitre « Ascenseur vers l'espace ». Il est aussi l'auteur de plusieurs ouvrages de vulgarisation scientifique a toujours suivi de près l'actualité scientifique. Ses bonnes connaissances en physique et en astronomie lui ont permis d'écrire des histoires scientifiquement très convaincantes. C'est dire s'il est normal de classer l'essentiel de ses textes dans la mouvance de la hard-science, cette branche de la SF dans laquelle les technologies décrites, les découvertes ou évolutions techniques et scientifiques sont cohérentes avec l'état des connaissances au moment où l'auteur écrit son œuvre.

Rendez-vous avec Rama , qui a reçu les prix Nebula en 1973, Hugo et Locus 1974, est un bel exemple de roman de science-fiction dont l'intrigue est entièrement construite autour de l'exploration scientifique d'un territoire inconnu. Dans ce texte, un mystérieux vaisseau spatial qui semble venu du plus profond de la Galaxie croise brièvement notre système solaire avant de le quitter pour toujours. Face à cette preuve tangible de l'existence d'une espèce intelligente dans la Galaxie l'humanité ne dispose que de quelques semaines pour répondre à ses questions. Pour tenter d'en savoir plus sur les concepteurs de ce vaisseau et sur leurs motivations les terriens envoient donc une mission d'exploration afin de mener une enquête scientifique et archéologique. Je vous propose donc de suivre pas à pas et calculatrice en main, les principales étapes de cette enquête et de les mettre à l'épreuve de la physique (les numéros de page font références au texte publié par les éditions J'ai Lu). Ah ! Dernière chose. Le mystérieux vaisseau se nomme Rama en référence à la mythologie indienne et au septième avatar du dieu Vishnou. Arthur C. Clarke, qui a vécu au Sri Lanka pendant plusieurs décennies, fit le choix de ce nom à cause de son lien fort avec le monde indien. C'était aussi une façon de sortir du système occidental de dénomination des objets célestes.

Premier contact

L'action se passe en 2130. Rama est découvert sous le nom 31/439 dans le cadre d'une surveillance radar systématique des astéroïdes du système solaire. Il s'agit d'éviter que se reproduise le coup des dinosaures, la chute sur la Terre d'un météore de fort diamètre pouvant avoir des conséquences dramatiques. Deux faits étranges apparaissent alors aux astronomes chargés de la surveillance : Rama est beaucoup plus gros que tous les astéroïdes récemment découverts et sa trajectoire est ouverte. Autrement dit, il ne se déplace pas autour du Soleil selon l'habituelle trajectoire elliptique fermée et périodique de tout astéroïde qui se respecte mais en suivant une trajectoire hyperbolique, semblable à celle de certaine comète, qui vient de l'extérieur du système solaire et qui, après avoir contourné le Soleil, l'y reconduira. La taille estimée de Rama est de 40 kilomètres et, vu au télescope, il apparaît comme un astre de magnitude 15, à peu près celle de Pluton vu depuis la Terre, quand il croise l'orbite de Jupiter (p. 9). La magnitude d'une source est un nombre qui quantifie son éclat apparent, fonction bien sûr de son éclat intrinsèque et de sa distance. La magnitude est d'autant plus élevée que son éclat apparent est faible. Celui-ci diminue comme l'inverse du carré de la distance puisque toute l'énergie lumineuse rayonnée (ou plutôt réfléchie dans le cas de Rama) par l'astre se trouve répartie sur une sphère dont la surface augmente comme le carré de la distance. Les étoiles les plus brillantes du ciel, comme par exemple Véga de la Lyre, ont une magnitude voisine de 0. À l'œil nu et dans de bonnes conditions d'observation on peut distinguer des étoiles de magnitudes 6. Si l'on suppose que la surface de Rama réfléchit parfaitement la lumière solaire et que la distance qui nous en sépare vaut à peu près la distance minimale entre la Terre et Jupiter (égale à environ 630 millions de kilomètres) on peut calculer que sa magnitude devrait être de l'ordre de 14,8. Pas mal monsieur Clarke ! À cette distance le diamètre apparent de l'objet mystérieux, c'est-à-dire l'angle sous lequel on le voit, est tout juste supérieur à 0,01 seconde d'arc, 8 fois plus petit que la résolution théorique des grands miroirs de 8 mètres qui équipent le Very Large Telescope, actuellement en activité au Chili. Il est donc extrêmement difficile, pour ne pas dire impossible, d'observer la surface de Rama en détail avec un télescope.

Deuxième surprise, les scientifiques observent que Rama est en rotation plutôt rapide. Le temps qu'il met pour faire un tour sur lui-même valant 4 minutes (p. 11), il est possible de calculer la vitesse de rotation d'un point situé à sa périphérie. Pour une sphère de 40 kilomètres de diamètre (première hypothèse émise concernant la forme de Rama), cette vitesse est égale au rapport de la circonférence de la sphère à sa période de rotation et vaut presque deux mille kilomètres par heure. La valeur de mille kilomètres par heure donnée par Clarke est deux fois trop petite. Il se réfère ici à la véritable géométrie de Rama qui ne sera dévoilée que quelques pages plus loin (p. 14) : c'est un cylindre de 20 kilomètres de diamètre et de 50 kilomètres de long en rotation autour de son axe de symétrie. Ses dimensions font de Rama un objet de taille tout à fait comparable à l'astéroïde Ida, survolé par la sonde Galileo le 28 août 1993, qui a la forme d'une pomme de terre (si l'on peut dire !) de 53 kilomètres de long et de 24 kilomètres de large. Ida, qui orbite à 428 millions de kilomètres du Soleil entre Mars et Jupiter à une magnitude apparente plus élevée que celle de Rama (il apparaît donc plus faible que lui) car il ne réfléchit que 16 % de la lumière solaire.

La rapide rotation de Rama impose une accélération centrifuge plutôt importante qui a tendance à éjecter tout objet placé à la surface de Rama. Cette accélération, égale au rapport entre le carré de la vitesse de rotation et le rayon du cylindre, vaut environ le septième de la gravité terrestre. Un objet peut-il rester « coller » à la surface de Rama ? Cela dépend essentiellement de la force qui le lie à cette surface. S'il s'agit de la gravitation propre de Rama, probablement très faible puisqu'il s'agit quand même d'un petit corps, de la taille d'un astéroïde, au regard d'une planète comme la Terre, l'objet n'a aucune chance : il sera éjecté. Si par contre on peut établir une liaison plus forte par collage, arrimage ou autre, rien n'est joué car tout dépend de l'intensité de cette liaison. Ainsi Clarke se trompe quand il semble inquiet pour la cohésion même de Rama s'étonnant qu'il ne se soit pas « désintégré en millions de fragments » (p. 11). En effet, pour déformer ou briser un morceau de matière il faut exercer une contrainte considérable qui traduit la grande intensité de la force, de nature élecstrostatique, qui confère sa cohésion à la matière. Par contre la rotation rapide de Rama devrait quelque peu déformer sa surface latérale, de la même façon que la Terre est légèrement renflée à l'équateur et aplatie aux pôles à cause de sa rotation.

Pour estimer la masse Rama il faut calculer son volume, ce qui est facile quand on connaît ses dimensions, que l'on multipliera par sa masse volumique moyenne. Les planètes telluriques comme la Terre ont une masse volumique moyenne d'environ 5 grammes par centimètre cube (on dit aussi une densité de 5) car elles sont riches en éléments lourds comme le fer ou le nickel. Les planètes géantes, gazeuses, sont un peu moins denses, Jupiter ayant une densité de 1,34 et Saturne de 0,7 (moins dense que l'eau Saturne flotterait sur l'océan !). Un astéroïde comme Ida, dont Rama semble proche, a une densité voisine de 2,3. Tout compte fait, cela donne à Rama une masse d'environ 120 000 milliards de tonnes (1,2 x 10¹⁴ tonnes). Clarke propose quant à lui une masse d'au moins dix millions de millions de tonnes (10¹³ tonnes, p. 16). Cet écart important peut être sensiblement réduit quand on apprendra que Rama est creux (p. 38), la cavité intérieure ayant un diamètre de 16 kilomètres, ce qui réduit d'autant le volume à prendre en compte. Finalement la masse de Rama doit tourner autour de 5,6 ´ 10¹³ tonnes, soit environ cent millions de fois moins que la Terre. Le champ de pesanteur d'un tel objet, proportionnel au rapport entre sa masse et le carré de sa taille, est environ 1 000 fois plus faible que la gravité terrestre (en accord avec Clarke, p. 18), et bien plus petite que l'accélération centrifuge. On comprend pourquoi il vaut mieux s'arrimer à la surface de Rama ! C'est d'ailleurs ce problème qui préoccupe le commandant du vaisseau Endeavour chargé d'explorer Rama (p. 17). Prudent, il choisit de se poser tout près de l'axe de rotation où la force centrifuge, proportionnelle à la distance à l'axe de rotation, est presque nulle.

Dans le ventre de Jonas

Une fois à l'intérieur de Rama, l'équipage de l'Endeavour se trouve devant une cavité interne aux dimensions gigantesques (voir dessin ; Clarke n'est d'ailleurs pas toujours cohérent dans les dimensions qu'il donne). Il devient alors manifeste que la paroi de Rama a une épaisseur qui varie de 500 mètres (p. 32) dans la zone polaire à près de 2 000 mètres sur la surface latérale. Cet épais bouclier de roche et de métal protège efficacement l'intérieur de Rama du flux de particules de grande énergie, aussi connues sous le nom de rayons cosmiques. Dans notre système solaire ces rayons cosmiques peuvent être d'origine solaire, émis lors d'une éruption solaire, ou galactique, produits lors de l'explosion d'une supernova. À la surface de la Terre nous sommes protégés des rayons cosmiques à la fois par l'atmosphère qui dissipe leur énergie et par le champ magnétique terrestre qui dévie la trajectoire de ces particules chargées. Hors de la magnétosphère terrestre le flux de rayons cosmiques devient si important qu'il sera absolument nécessaire de protéger les astronautes qui iront sur Mars par un blindage adéquat, faute de quoi leur décès par irradiation est assuré.

Pour atteindre la paroi interne il faut emprunter l'un des trois escaliers titanesques qui partent du moyeu central. L'équipe d'exploration est arrivée au voisinage de l'axe de rotation où la force centrifuge, perçue comme une force de gravité, est quasi nulle. Au fur et à mesure de la descente (on pourrait tout aussi bien dire de la montée car sans gravité il n'y a pas de haut ni de bas, un peu comme dans l'état d'impesanteur des stations orbitales) cette gravité apparente augmente avec l'éloignement à l'axe de rotation. Dès que la gravité apparente deviendra suffisante, la sensation de poids imposera un haut et un bas. On peut calculer que les explorateurs subissent une augmentation de la pesanteur apparente de 7 millièmes de la pesanteur terrestre tout les 100 mètres de descente. Cela signifie que la masse apparente d'un explorateur de 75 kg portant environ 100 kg de matériel (p. 48) augmentera d'environ 1,25 kg tout les 100 mètres. Le chef du groupe d'exploration estime sa masse apparente à 5 kg après avoir parcouru 400 échelons (p. 49). On en déduit immédiatement qu'il doit se trouver à 400 mètres de l'axe de rotation. Bizarrement cela donne une distance entre échelon égale à un mètre alors que le texte précise que les échelons sont séparés de cinquante centimètres (p. 49). À moins qu'il n'ait compté les paires d'échelons, le texte précisant qu'il en saute un sur deux. Auquel cas tout s'arrange… Sur la première terrasse, après avoir parcouru 800 échelons, la masse apparente est bien de 10 kg (p. 51), double de celle ressentie à 400 échelons. Clarke précise alors qu'un parcours sur la terrasse circulaire longue de 5 kilomètres ferait revenir le chef des explorateurs à son point de départ. On en déduit facilement que la première terrasse, atteinte après 800 échelons, a un rayon d'environ 800 mètres. Cela semble confirmer que les échelons sont bien séparés d'un mètre.

Lors de cette vertigineuse descente les explorateurs ressentent une mystérieuse force qui les pousse vers la droite (p. 50). Il s'agit de la force de Coriolis qui agit sur un objet en mouvement dans un référentiel tournant. Sur la Terre, c'est la force de Coriolis qui est à l'origine du sens de rotation des vents et des grands courants océaniques, en sens inverse des aiguilles d'une montre dans l'hémisphère nord.

Comme la gravité apparente (qui résulte de la force centrifuge) augmente avec la distance à l'axe, la pression de l'atmosphère de Rama doit elle aussi augmenter (p. 54). En effet, une couche atmosphérique donnée subit le poids de tout le gaz placé au-dessus d'elle. Pour équilibrer ce poids, sa pression doit donc être d'autant plus élevée qu'elle est proche de la surface de la Terre. C'est pourquoi la pression atmosphérique est plus importante au niveau de la mer qu'au sommet des montagnes. Dans le cas de Rama, la pression doit aussi varier entre l'axe de rotation et la surface latérale du cylindre. Pour rester en équilibre il faut qu'une couche d'air ait une pression d'autant plus grande qu'elle est loin de l'axe de rotation puisque la pesanteur apparente augmente en s'éloignant de cet axe. Elle sera donc maximale sur la surface latérale.

Le Soleil approche

Pendant l'exploration, Rama plonge vers le Soleil a une vitesse sans cesse croissante à cause de l'accélération due à la gravité solaire. La diminution de la distance au Soleil entraîne une augmentation de la quantité d'énergie lumineuse reçue à la surface de Rama. Une partie de cette énergie incidente va diffuser à travers l'épaisse coque de Rama pour finalement venir réchauffer l'atmosphère de la cavité interne par le fond. C'est là le moteur de l'un des moments dramatiques du roman, lorsque l'un des savants restés sur Terre comprend que cette élévation de température peut engendrer des vents violents. En effet, le gaz de la basse atmosphère de Rama va se dilater sous l'effet de l'élévation de température. Plus léger, il va, grâce à la poussée d'Archimède, s'élever vers l'axe de rotation et passer d'une région de forte vitesse de rotation vers une autre plus lente. C'est là le nœud du problème. Ne pouvant conserver sa vitesse, le gaz en ascension va générer une forte turbulence voire des vents violents. On observe le même phénomène sur Terre, lorsque de l'air chaud de l'équateur s'élève et se déplace vers le nord ou vers le sud : les vents consécutifs à ce phénomène se nomment les alizés (p. 86). Une autre conséquence de ce réchauffement est la fusion de la mer cylindrique. Pas de risque qu'elle sorte de son lit car, sous l'effet de la force centrifuge qui agit comme une sorte de pesanteur artificielle, l'eau liquide restera « plaquée » à la paroi interne (p. 94).

Apparemment imparable, ce raisonnement me semble souffrir de deux problèmes. Le premier concerne la quantité d'énergie absorbée par Rama. Notez bien que j'ai écrit « absorbée » et non reçue. Par cette nuance j'entends faire remarquer que l'énergie absorbée par la coque de Rama est égale au produit de l'énergie reçue par un coefficient d'absorption qui dépend du matériau qui constitue la coque. Nous avons vu au début de nos investigations que Clarke avait manifestement estimé la magnitude apparente de Rama en faisant l'hypothèse que sa coque était parfaitement réfléchissante, c'est-à-dire pas du tout absorbante ! Dès lors, l'énergie absorbée est très faible et l'énergie disponible pour réchauffer l'atmosphère de Rama sera quasi nulle. Quand Clarke estime que la température qui règne à la surface de Rama vaut environ 500 °C (p. 78) il suppose implicitement que la coque est parfaitement absorbante, en contradiction avec son hypothèse de calcul de la magnitude apparente. Dans ce cas, sa température est proportionnelle à la racine quatrième du flux absorbé, supposé égal au flux solaire incident à la distance de Vénus (108 millions de kilomètres, là où se trouve désormais Rama). Tout calcul fait, on trouve plutôt 465 °C.

Le deuxième problème concerne le temps mis par l'onde de chaleur pour traverser la coque de Rama. Ce transfert d'énergie se fait par un processus de diffusion de proche en proche extrêmement lent. La distance parcourue par l'onde thermique varie comme la racine carrée du temps et dépend aussi d'un paramètre, la diffusivité thermique, qui quantifie les propriétés de conduction thermique du milieu. En supposant la coque de Rama constituée de roche, conduisant environ 1 000 fois moins la chaleur que le cuivre, l'élévation de température sur la paroi de la cavité interne devrait être de l'ordre de 5 °C tous les 100 jours à la distance de Vénus. Cette échelle de temps est beaucoup plus longue que celle imposé par le tempo que Clarke donne, probablement pour des raisons dramatiques, à son histoire.

Dans cette partie du roman, une énigme est posée. Pourquoi l'une des falaises bordant la mer cylindrique fait-elle 500 mètres de haut alors que l'autre est dix fois moins élevée (p. 81, p. 95) ? Tout devient clair si l'on se rappelle que Rama est un gigantesque vaisseau interstellaire qui doit nécessairement avoir la possibilité d'accélérer. Les passagers d'un avion accélérant au décollage sont plaqués dans leur siège. La surface d'un liquide d'ordinaire horizontale, car perpendiculaire à la direction de la pesanteur terrestre, s'incline pour devenir perpendiculaire à la pesanteur apparente, somme de la pesanteur terrestre et de l'accélération de l'avion. Si la paroi du récipient n'est pas assez haute, le liquide déborde. Dans le cas de la mer cylindrique, la falaise de 500 mètres joue le rôle de cette paroi de rétention. De là, on peut calculer que l'accélération maximale que peut subir Rama sans faire déborder sa mer est bien égale à 0,02 fois la gravité terrestre (p. 111, p. 278). À la décélération, il faudra penser à retourner le vaisseau pour ne pas faire déborder la mer cylindrique…

Fin de l'enquête

Finalement, on voit que Clarke est plutôt précis dans ses descriptions physiques même si la cohérence est parfois mise de côté pour favoriser une trame romanesque plus dramatique. La qualité des descriptions faites par les explorateurs de Rama laisse à penser que Clarke a dû commencer par concevoir Rama avant même de s'en servir comme cadre de son roman. Ce livre me fait penser à De la Terre à la Lune de Jules Verne : l'action est presque inexistante, les seules péripéties concernent les surprenantes découvertes scientifiques faites dans le vaisseau. Dans Rendez-vous avec Rama Clarke crée un univers très riche bien que limité spatialement et montre la confrontation avec une intelligence extraterrestre sous un jour original où les extraterrestres eux-mêmes sont absents. Cela semble bien normal quand on a en tête les formidables difficultés à réaliser un voyage interstellaire (voir le chapitre « Ad astra »).

Bibliographie

·  Rendez-vous avec Rama, Arthur C. Clarke, J'ai Lu n° 1047.

Dessin unique en son genre réalisé par Roland Lehoucq