Ce n’était qu’une question d’espace-temps

Il y a cent ans, Einstein avait prévu leur existence dans sa théorie de la relativité générale. Des physiciens avaient découvert une preuve indirecte de leur existence en 1974, mais jamais elles n’avaient été observées directement. Jusqu’au 14 septembre dernier.

Lors d’une conférence de presse jeudi à Washington, des chercheurs euphoriques ont annoncé que des ondes gravitationnelles ont enfin été enregistrées par les deux détecteurs du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) situés aux États-Unis. L’analyse du signal a permis de savoir que ces ondes gravitationnelles avaient été générées par la collision de deux trous noirs qui ont fusionné il y a 1,3 milliard d’années. Une autre première, car c’est la première fois que l’on observait un tel phénomène.

« À l’instar de Galilée, qui a ouvert l’ère de l’observation astronomique moderne en pointant son télescope vers le ciel, nous ouvrons aujourd’hui une nouvelle fenêtre sur l’Univers, celle de l’astronomie gravitationnelle, a déclaré David Reitze, directeur du LIGO. Elle nous permettra peut-être de voir des choses que nous n’avons encore jamais vues, voire jamais envisagées. »

Longue traque

L’émotion était palpable chez les physiciens rassemblés à Washington. La traque des ondes gravitationnelles a débuté il y a déjà plusieurs décennies, et les chercheurs étaient demeurés bredouilles. Ces dernières années, divers éléments des détecteurs du LIGO avaient été grandement améliorés dans le but d’accroître leur sensibilité, qui n’était visiblement pas suffisante pour détecter les déformations infinitésimales de l’espace induites par les ondes gravitationnelles atteignant la Terre.

Selon la théorie de la relativité générale, l’espace-temps, qui unit les trois dimensions de l’espace et celle du temps, est élastique et peut donc se déformer, notamment lors du passage d’ondes gravitationnelles ayant été produites par un événement astrophysique violent, comme la fusion de deux trous noirs — objets célestes si compacts que l’intensité de leur champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper — ou l’explosion d’étoiles massives. Les équations d’Einstein montrent que les ondes gravitationnelles étirent l’espace dans une direction et le compriment dans la direction perpendiculaire.

Le 14 septembre, les deux détecteurs du LIGO, dont l’un est situé à Livingston en Louisiane et l’autre à Hanford dans l’État de Washington, ont enregistré le même signal presque simultanément, soit avec 7 millisecondes d’écart. « Ce signal correspondait exactement à celui que la relativité générale d’Einstein prédit lorsque deux objets massifs, comme des trous noirs qui tournent l’un autour de l’autre fusionnent, a expliqué David Reitze. Ensuite, nous avons consacré plusieurs mois à vérifier, analyser et revérifier chaque donnée pour nous assurer que ce que nous avions vu était bel et bien une onde gravitationnelle. »

Fusion explosive

L’analyse de la fréquence des ondes gravitationnelles enregistrées a montré que les deux trous noirs qui les ont produites avaient des masses d’environ 29 et 36 fois celle du Soleil, et mesuraient environ 150 km de diamètre. Alors qu’ils tournaient l’un autour de l’autre, les deux trous noirs se sont graduellement rapprochés pendant des milliards d’années jusqu’au moment où tout s’est brusquement accéléré. En une fraction de seconde, les deux trous noirs sont entrés en collision à une vitesse atteignant la moitié de celle de la lumière et ont fusionné en un seul trou noir un peu plus léger que la somme des deux précédents, car une partie de leur masse (soit trois fois la masse du Soleil) a été convertie en ondes gravitationnelles.

Celles-ci ont ensuite voyagé pendant 1,3 milliard d’années avant d’atteindre la Terre, comme l’indique l’amplitude des ondes enregistrées. Compte tenu de la distance parcourue par ces ondes, les signaux qui nous atteignent sont donc extrêmement faibles. L’onde détectée le 14 septembre 2015 a induit une variation de la longueur des bras des détecteurs du LIGO d’un cent-millionième de la taille d’un atome.

Les détecteurs du LIGO sont constitués de deux bras perpendiculaires de quatre kilomètres chacun qui forment un L. Un faisceau laser est envoyé dans chacun des deux bras. Chaque faisceau parcourt les quatre kilomètres et rebondit sur un miroir qui est suspendu à l’extrémité du bras. Les faisceaux laser font ainsi des allers-retours. Ce sont eux qui permettent de déterminer si la longueur des bras du détecteur a varié. « Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse la Terre, elle déforme l’espace de façon asymétrique, […] un bras du détecteur va se raccourcir alors que l’autre va s’allonger un peu », explique Matteo Barsuglia, directeur de recherche au CNRS en France et responsable d’une équipe qui participe aux projets du LIGO et du détecteur européen Virgo situé près de Pise, en Italie. C’est ainsi que les faisceaux laser du LIGO ont détecté une variation d’un millième du diamètre d’un proton (soit de l’ordre de 10-18 mètres) sur une distance de quatre kilomètres.

« Nous avons construit deux détecteurs parce que nous mesurons des distorsions si petites de l’espace-temps sur la Terre qu’on ne peut les considérer comme réelles que si on les voit à deux endroits distincts en même temps. C’est la seule façon d’être certain qu’il ne s’agit pas d’une perturbation locale », a expliqué Gabriela Gonzalez, porte-parole de la collaboration scientifique LIGO qui regroupe plus de 1000 scientifiques travaillant dans des universités de 15 pays. Depuis 2007, les équipes du Virgo et du LIGO analysent en commun les données collectées par les deux observatoires et travaillent conjointement à l’amélioration des détecteurs.

« Le fait de disposer de deux détecteurs nous a aussi permis de localiser la source du signal, pas très précisément, mais on peut affirmer que le signal venait de l’hémisphère sud du ciel », a indiqué Mme Gonzalez avant de rappeler que le détecteur Virgo, qui est actuellement en phase d’amélioration, constituera « une troisième oreille » qui augmentera la précision de la localisation lorsqu’il redeviendra fonctionnel d’ici la fin de 2016. Dans quelques années, les chercheurs pourront également compter sur deux autres détecteurs qui sont en construction au Japon et en Inde. Une bonne localisation de la source permettra aux observatoires astronomiques de bien pointer leurs télescopes afin de rechercher des signaux de lumière correspondant à l’onde gravitationnelle.

Cette découverte fantastique est publiée dans la revue Physical Review Letters.

6 commentaires
  • Pierre Lefebvre - Inscrit 12 février 2016 06 h 09

    Gravitationnelles

    Bon... Je me rends compte que le terme «gravitationnelles» est ici employé faute d'imagination des scientifiques pour décrire cette onde. Parce que, se servir des travaux d’Einstein et trouver quelque chose qui a rapport avec la «gravitation» quand lui a «prouvé» que la gravité «n’existe pas», ça fait «couper les coins ronds».

    Une onde «de choc», une onde «résiduelle», même une onde «spatiale» nous libèrerait enfin de cette notion de «force» et de «gravité» qui nous plombe depuis des années.

    Je suggèrerais au groupe de «scientifiques spécialistes» d’insérer dans leur chapelle un «linguiste spécialiste». Einstein doit tourner dans sa tombe.
    Il y a des taches qui sont vraiment dure à fait disparaitre.
    Ou… on ne frotte pas assez fort.

    Bonne journée.

    PL

    • Francis Labrecque - Abonné 12 février 2016 14 h 09

      Au contraire, la gravité est un élément clé pris en compte dans sa théorie de la relativité générale. Pour onde gravitationnelle, c’est le terme utilisé officiellement en français et en anglais. Avec ou sans réviseur technique «linguiste spécialisé» dans l’équipe le terme tient toujours la route. Cela dit, loin de moi l’idée de faire un débat élitiste sur le sujet, mais ton commentaire a piqué ma curiosité. Pourrais-tu me donner un hyperlien qui mène vers une des sources qui soutient ton point?...svp pas Wikipédia ;)

  • Robert Bernier - Abonné 12 février 2016 08 h 45

    De la réalité de l'espace-temps ...

    Si une déformation nous en parvient, c'est qu'il y a quelque chose à déformer. L'espace-temps se voit ainsi conférer une réalité au sens "ontologique" du terme. Il s'agit de bien plus qu'une structure mathématique décrivant les relations causales possibles entre différents objets.

    Le photon est une fluctuation locale du champ électromagnétique réparti dans l'univers, l'électron une fluctuation du champ électronique universel, le boson une fluctuation du champ bosonique qui remplit l'espace ... la chasse au graviton est ouverte. Fascinant comme dirait Charles Tisseyre.

    Robert Bernier
    Mirabel

    • Pierre Lefebvre - Inscrit 12 février 2016 12 h 44

      Amusez-vous avec celle-là : Un photon peut être partout à la fois. Serait-il possible qu'il n'y ait «qu'un seul photon partout tout le temps» ?

      PL

  • Richard Swain - Abonné 12 février 2016 08 h 48

    Titre génial . . .

    . . . qui coiffe un article intéressant !

  • Sylvio Le Blanc - Abonné 12 février 2016 15 h 31

    Les ondes gravitationnelles seraient

    en quelque sorte les tsunamis de l'espace ?