Que sont les ondes gravitationnelles

Face à face avec la découverte scientifique qui a "secoué le monde", ouvrant de nouvelles voies pour comprendre les événements célestes les plus énergiques. Et qui vient de remporter le prix Nobel de physique.

La nouvelle du prix Nobel de physique qui rebondit aujourd'hui sur des sites du monde entier est venue pour la première fois, très attendue, le 11 février 2016: ce jour-là, les scientifiques du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ont annoncé avoir trouvé , un siècle après leur formulation théorique, les preuves expérimentales de l'existence des ondes gravitationnelles, les ondulations du tissu de l'espace-temps déjà théorisées par Einstein.

Mais quels sont exactement ces signes, et pourquoi sont-ils si importants qu'ils méritent un prix Nobel? Comment sont-ils détectés et que peuvent-ils nous aider à découvrir?

quelles sont ces ondulations? Imaginer des ondes gravitationnelles est un processus complexe. Essayez de les considérer comme des traces de «vibrations». Tout comme une onde électromagnétique nous permet de retracer les vibrations du champ électromagnétique qui l'a produit, les ondes gravitationnelles nous permettent d'observer la distorsion de l'espace-temps, étirée et comprimée par les perturbations de la force de gravité qui se propagent à travers l'Univers.

d'où viennent-ils? Les sources d'ondes gravitationnelles sont généralement de grandes masses qui subissent de grandes accélérations. Les sources les plus connues sont les systèmes binaires de trous noirs qui tournent en orbite jusqu'à ce qu'ils entrent en collision. Au cœur de l'actualité de février 2016, la détection, le 14 septembre 2015, d'ondes gravitationnelles produites dans la dernière fraction de seconde du processus de fusion de deux trous noirs, avec une masse équivalente à environ 29 et 36 masses solaires.

Les deux géants ont fusionné en un seul trou noir rotatif plus massif qu'environ 62 masses solaires: les 3 masses solaires manquant le total de la somme sont équivalentes à l'énergie émise lors du processus de fusion des deux trous noirs, sous la forme - précisément - de ondes gravitationnelles.

Même les étoiles à neutrons , corps extrêmement denses qui tournent très rapidement sur elles-mêmes, peuvent donner naissance à ces ondulations: l'irrégularité à leur surface provoque des ondes gravitationnelles périodiques dans le temps (lors d'une fusion ou d'une collision, l'intensité des ondes détectées il se développe progressivement jusqu'au "bang final"). Les supernovae , étoiles mourantes, génèrent des ondes gravitationnelles courtes et intenses ("burst"). Et une sorte d'écho gravitationnel pourrait également rester du Big Bang , plus faible et plus uniformément réparti.

Depuis combien de temps leur existence est-elle connue? En 1916, Albert Einstein a émis l'hypothèse que les ondes gravitationnelles pourraient être une conséquence naturelle de sa théorie de la relativité générale. Einstein avait révolutionné le concept de gravité: non plus une force entre des objets éloignés, mais plutôt un effet géométrique capable de déformer le tissu de l'espace-temps. Donc, si la gravité était capable de créer des ondulations, il se pourrait qu'elles aient pu se propager. Cependant, Einstein ne s'est jamais pleinement convaincu de l'exactitude de sa théorie, qu'il était sur le point de rétracter plusieurs fois.

Quand les preuves sont-elles arrivées? Il fallait aller dans les années 70 pour une preuve indirecte du fait qu'il avait raison. Au cours de ces années, observant une paire de pulsars en orbite, les scientifiques américains Russell Hulse et Joseph Taylor ont réalisé que ces étoiles compactes ralentissaient à l'approche, car elles perdaient de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles - une déduction qui leur a valu tous deux prix Nobel de physique, en 1993. Les observations de LIGO, avec une contribution importante du détecteur VIRGO à Cascina (Pise) en 2015, ont mis fin à un siècle de spéculation, avec la première preuve expérimentale de l'existence d'ondes gravitationnelles.

Pourquoi est-il si difficile de les détecter? Dans les milliards d'années que les ondes gravitationnelles mettent à nous atteindre à partir des événements qui les ont formées, l'ondulation qu'elles produisent est réduite à une distorsion plusieurs fois plus petite que le diamètre d'un proton. Pour être conscient d'une si petite vibration, des outils très sensibles sont nécessaires - mais aussi pour les distinguer de la myriade d'événements sur Terre qui peuvent perturber leurs recherches: un train qui passe, le débit d'une rivière ...

Comment sont-ils détectés? Les détecteurs les plus avancés utilisent des systèmes optiques ultra-précis fabriqués à partir de deux tunnels disposés à angle droit (ou L-angles). Dans les détecteurs LIGO, chaque bras mesure 4 km de long. Un double faisceau laser part du sommet du L et est divisé par les deux tunnels: à la fin, chaque faisceau laser est réfléchi par un miroir et revient, où il se recombine avec l'autre.

En pratique, lorsqu'ils se rencontrent à nouveau, les deux rayons s'annulent, annulant mutuellement leurs effets. Sauf si une très légère vibration déplace le miroir dans l'une des deux extrémités, provoquant une interférence immédiatement détectée: c'est le signal espéré (tant qu'il ne s'agit pas d'une fausse piste).

Pour plus de précision, le LIGO est composé de deux paires de détecteurs (une à Livingston en Louisiane et une à Hanford, Etat de Washington). Pour que le signal soit effectivement une onde gravitationnelle, les deux doivent le détecter, avec une différence de temps maximale de 10 millièmes de seconde (le temps mis par le signal pour parcourir les 3000 km qui séparent les deux centres).

Le détecteur INFN VIRGO situé à Cascina (Pise) fonctionne de manière similaire et depuis le second semestre 2017 travaille en tandem avec le LIGO, fournissant une recherche à valeur ajoutée. En fait, il a un emplacement et une orientation différents sur Terre: il n'est pas parallèle aux 2 autres interféromètres. Cela implique qu'une autre prédiction de la relativité générale peut être testée, qui concerne la polarisation (c'est-à-dire la distribution différente dans la direction du champ) des ondes gravitationnelles.

La sonde ESA LISA Pathfinder traite également de la recherche d'ondes gravitationnelles, mais dans l'espace (lire comment): les premiers résultats publiés ont montré qu'elle fonctionne parfaitement.

Que pourraient nous dire les ondes gravitationnelles? On peut les considérer comme une nouvelle paire de lunettes largement ouverte sur l'Univers. Jusqu'à présent, nous avons observé le cosmos infrarouge, dans la lumière visible, les ultraviolets et les hautes énergies (rayons X, rayons gamma). Nous l'avons également étudié par ondes radio. Les ondes gravitationnelles pourraient nous permettre d'étudier des phénomènes non perceptibles avec d'autres instruments. Par exemple, ils pourraient nous aider à étudier la lumière et le rayonnement résiduels du Big Bang, se rapprochant de la grande explosion qui a donné naissance à l'univers.

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