Pourquoi les satellites restent-ils en orbite autour de la Terre ?

Une orbite n'est pas un endroit où la gravité s'éteint, mais une chute qui se prolonge indéfiniment. L'image qui l'explique le mieux est celle du canon de Newton : si l'on tire un projectile horizontalement depuis une montagne très haute, il retombe à une certaine distance ; si on tire plus fort, il retombe plus loin ; et si la vitesse est suffisante, la courbure de sa chute coïncide avec la courbure de la Terre et le projectile n'atteint jamais le sol. C'est une orbite.

Pour que les deux courbures coïncident, il faut une vitesse très précise, qui dépend de l'altitude. Sur l'orbite basse d'environ 400 kilomètres, où vole la Station spatiale internationale, elle est d'environ 7,7 kilomètres par seconde, soit environ 27 600 kilomètres par heure, ce qui se traduit par un tour complet de la planète toutes les quatre-vingt-dix minutes environ. Plus le satellite est haut, plus il doit aller lentement et plus il met de temps : à 35 786 kilomètres au-dessus de l'équateur, la période est d'un jour sidéral, et c'est pourquoi un satellite géostationnaire semble immobile au-dessus du même point.

Ce qui met un satellite en orbite, ce n'est pas de le faire monter, mais de l'accélérer latéralement. Une fusée consacre les premiers kilomètres à sortir de l'atmosphère dense et le reste de la montée à s'incliner jusqu'à voler presque horizontalement ; la plus grande partie de l'énergie est investie dans la vitesse, pas dans l'altitude. Si l'on lâchait un satellite à 400 kilomètres sans vitesse horizontale, il retomberait au sol en quelques minutes.

À ces altitudes, il reste encore des traces d'atmosphère. Le frottement résiduel freine peu à peu les satellites bas, qui perdent de l'altitude et finissent par rentrer dans l'atmosphère et se désintégrer si personne ne les remonte. La Station spatiale internationale a besoin de manœuvres périodiques de reboost avec les moteurs des vaisseaux amarrés. Au-delà d'environ mille kilomètres, le freinage est si faible que les objets restent en orbite pendant des siècles, ce qui fait des débris spatiaux un problème de longue durée.