On a vu les ondes gravitationnelles prévues par Einstein

Les chercheurs étaient euphoriques quand ils ont annoncé, le 11 février 2016, en conférence de presse à Washington, que les deux détecteurs du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory situés aux États-Unis avaient enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles.
Photo: Saul Loeb Agence France-Presse Les chercheurs étaient euphoriques quand ils ont annoncé, le 11 février 2016, en conférence de presse à Washington, que les deux détecteurs du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory situés aux États-Unis avaient enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles.

L’événement scientifique qui a littéralement secoué le monde en 2016 est la détection des ondes gravitationnelles engendrées par la collision de deux trous noirs survenue il y a 1,3 milliard d’années. L’existence de ces ondes qui déforment l’espace-temps, comme l’avait prédit Albert Einstein il y a 100 ans dans sa théorie de la relativité générale, n’avait jusque-là été prouvée qu’indirectement en 1974. Depuis cette date, les chercheurs les avaient traquées en vain. C’est pourquoi ils étaient euphoriques quand ils ont annoncé le 11 février 2016 que les deux détecteurs du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) situés aux États-Unis avaient enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles.

Selon la théorie de la relativité générale, l’espace-temps est élastique et se déforme lors du passage d’ondes gravitationnelles ayant été produites par un événement astrophysique violent, tel que la fusion de deux trous noirs ou l’explosion d’étoiles massives. Partout où elles passent, les ondes gravitationnelles étirent l’espace dans une direction et le compriment dans la direction perpendiculaire.

Constitués de deux bras perpendiculaires de quatre kilomètres chacun disposés en L, dans lesquels circule un faisceau laser qui rebondit sur un miroir suspendu à chaque extrémité, les détecteurs du LIGO ont mesuré le 14 septembre 2015 une variation de la longueur de leurs bras d’un cent-millionième de la taille d’un atome (soit de l’ordre de 10-18 mètre). Le fait que les deux détecteurs, dont l’un est situé à Livingston en Louisiane et l’autre à Hanford dans l’État de Washington, ont enregistré la même déformation presque simultanément, avec sept millisecondes d’écart pour être plus précis, a permis aux chercheurs de s’assurer qu’il ne s’agissait pas d’une perturbation locale. Cette observation était d’une telle importance que les chercheurs ont ensuite mis cinq mois à analyser les données obtenues par les deux détecteurs et à effectuer maintes vérifications avant de rendre publique en grande pompe cette découverte capitale en février 2016.

Seconde détection

Le 15 juin 2016, l’équipe de LIGO annonçait une seconde détection d’ondes gravitationnelles survenue le 25 décembre 2015. L’analyse du signal enregistré cette fois a indiqué que ces ondes gravitationnelles avaient été induites il y a 1,4 milliard d’années, lors de la fusion de deux corps noirs ayant des masses d’environ 8 et 14 fois celle du Soleil. Le signal était donc nettement moins fort que celui de la première détection, qui résultait pour sa part de la fusion de deux corps noirs ayant des masses d’environ 29 et 36 fois celle du Soleil.

Le signal enregistré lors de la première détection n’a par contre duré que 0,2 seconde, alors que celui détecté lors de la deuxième détection s’est prolongé pendant une seconde complète, et ce, parce que les petits trous noirs qui tournoient l’un autour de l’autre peuvent s’approcher davantage l’un de l’autre avant d’entrer en collision et de fusionner, étant donné que leur champ gravitationnel est de moindre intensité à cause de leur plus petite masse.

Pour la communauté des physiciens, cette seconde détection prouvait que la première n’était pas un hasard, et elle a marqué l’émergence d’une nouvelle façon d’observer l’Univers : l’astronomie gravitationnelle. « Quand les détecteurs LIGO auront acquis la sensibilité qui avait été prévue lors de leur conception, ils permettront de voir une fusion de trous noirs chaque jour », fait remarquer Adrian Cho dans la revue Science.

Nouveaux instruments

Aux deux détecteurs LIGO s’ajoutera très bientôt, en 2017, le détecteur VIRGO situé près de Pise, en Italie, qui reprendra ses activités après une importante modernisation. Des laboratoires de cinq pays — la France et l’Italie (les deux pays à l’origine du projet), les Pays-Bas, la Pologne et la Hongrie, qui forment le consortium de l’European Gravitational Observatory (EGO) — participent aux expériences menées avec VIRGO, dont chacun des bras mesure trois mètres de long.

Un nouveau détecteur dénommé Kamioka Gravitational Wave Detector est également en construction au Japon, et les physiciens de LIGO ont le projet d’ajouter un troisième détecteur LIGO en Inde vers 2020. La présence d’au moins trois détecteurs devrait permettre de localiser par triangulation l’origine de l’événement ayant engendré les ondes gravitationnelles, et ainsi de pointer les télescopes dans cette direction afin de détecter d’autres signaux qui y seraient associés. « Par exemple, si les détecteurs d’ondes gravitationnelles enregistrent le signal provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons et que les télescopes captent la lumière ou les rayons X qui s’en échappent à ce moment-là, l’ensemble de ces signaux pourrait fournir des indices sur la matière exotique contenue dans les étoiles à neutrons », souligne-t-on dans Science.

Ces multiples détecteurs pourraient aussi permettre de vérifier des hypothèses pour le moins originales formulées par certains physiciens théoriciens concernant les trous noirs. Comme celle de l’existence d’un mur pare-feu dans chaque trou noir — comme le suggère la théorie de la physique quantique — qui induiraitdes échos d’onde gravitationnelle lors de la fusion de deux trous noirs.

LISA

La NASA et l’European Space Agency (ESA) espèrent pouvoir lancer en 2034 le Laser Interferometer Space Antenna (LISA), qui comprendra trois modules constitués de bras de millions de kilomètres de long qui seront disposés autour du Soleil. LISA devrait permettre de détecter des ondes gravitationnelles ayant des longueurs d’ondes atteignant des millions, voire des milliards de kilomètres, alors que LIGO ne détecte que des longueurs d’ondes de milliers de kilomètres.

LISA permettra aussi d’apercevoir la longue et lente disparition de deux trous noirs tournoyant l’un autour de l’autre avant que les détecteurs terrestres, comme LIGO, ne voient la collision finale. Il devrait permettre de détecter et d’observer avec une grande précision des trous noirs stellaires (l’effondrement d’une étoile massive sur elle-même) qui tombent dans un trou noir supermassif au centre de notre galaxie, la Voie lactée.

Nul doute que l’avenir de l’astronomie gravitationnelle nous réserve des découvertes spectaculaires.

1 commentaire
  • Bernard Terreault - Abonné 31 décembre 2016 13 h 56

    Un exploit, oui

    Pour les physiciens comme moi, pour les astronomes et je dirais aussi pour les philosophes préoccupés par l'Univers dans son ensemble, son avenir ultime, et la minuscule place qu'y tient l'homme, c'est effectivement la nouvelle de l'année. Cette démonstration est un exploit scientifique et technique que je n'aurais pas cru faisable il y a seulement quelques années. Mais pour le citoyen moyen, une cure pour le cancer ou la découverte (bien improbable pour qui connait un peu de physique) d'une énergie à la fois propre, facile à utiliser, transportable, abondante et pas chère (!) serait bien la nouvelle de l'année.