Qu'est-ce qu'une onde gravitationnelle ?
Des ondulations produites par des événements cosmiques d'envergure colossale pourraient faire entrer l'astronomie dans une nouvelle ère.
Pour dire les choses simplement, les ondes gravitationnelles sont des oscillations dans la courbure de l'espace-temps produites par les phénomènes les plus violents du cosmos : l'explosion d'une étoile, la collision entre des étoiles à neutrons ultra-denses ou la fusion de trous noirs.
Après presque un siècle de recherches, la traque cosmique est terminée. À l’aide de lasers et de miroirs, des scientifiques ont pu observer directement des ondes gravitationnelles, ces rides sur le tissu de l’espace-temps. Deux trous noirs entrant en collision, de 36 et 29 masses solaires respectivement, ont émis ces ondes gravitationnelles alors qu’ils avançaient en spirale l’un vers l’autre avant de finalement entrer en collision.
Après avoir parcouru une distance d’environ 1,3 milliard d’années-lumière en se propageant comme les vagues d’un lac cosmique, ces ondes ont traversé la Terre le 14 septembre 2015, provoquant une variation minuscule mais mesurable de la distance entre quatre miroirs : deux en Louisiane, et deux dans l’État de Washington.
Dans les dernières secondes avant leur fusion, les trous noirs ont émis 50 fois plus d’énergie que toutes les étoiles de toutes les galaxies de tout l’univers. « C’est la première fois que l’univers nous parle en ondes gravitationnelles, » commente David Reitze de Caltech lors de la conférence de presse annonçant la découverte le 11 février 2016.
Selon les scientifiques en charge de l’expérience des miroirs au Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), le signal reçu sur Terre s’accompagnait du petit « gazouillement » caractéristique que l’on imaginait marquer la mort et l’unification de deux trous noirs.
« Nous pouvons entendre les ondes gravitationnelles, nous pouvons entendre l’univers, » se réjouit Gabriela Gonzalez de la Louisiana State University. « Nous allons non seulement observer l’univers mais aussi l’écouter. »
De nombreuses personnes s’accordent à dire que cette découverte est digne d’un prix Nobel. L’annonce a eu lieu après des semaines, des mois d’allusions renforcées par la circulation de rumeurs sur les réseaux sociaux sur la découverte de l’équipe de LIGO.
RESSENTIR LES BONNES ONDES
Initialement imaginées par Albert Einstein en 1916, les ondes gravitationnelles font partie des éléments les plus paradoxaux de sa théorie de la relativité générale. Elles apparaissent en cas d’événements extrêmes, tels que la collision de trous noirs, la fusion d’étoiles à neutrons ou l’explosion d’une étoile. Ces événements très violents produisent suffisamment d’énergie pour déformer l’épais et solide tissu de l’espace-temps en le dilatant et en le contractant.
Comme on peut l’imaginer, ces déformations ne sont normalement pas perceptibles. Si c’était le cas, on verrait les horloges s’affoler et les paysages s’étirer et se contracter en permanence. Pourtant, « des ondes gravitationnelles nous traversent en ce moment même, » affirme Alan Weinstein, directeur de l’équipe de LIGO à Caltech. « J’y mettrais ma main gauche à couper. Et je suis gaucher. »
En d’autres termes, ces ondes extrêmement puissantes se propagent sur Terre mais leurs effets sont, eux, extrêmement difficiles à mesurer. « La dilatation et la contraction de l’espace est exceptionnellement infime, » explique Weinstein, ajoutant que le passage d’une onde gravitationnelle pourrait changer la distance entre deux personnes assises à un mètre l’une de l’autre de seulement 10-21 mètres. C’est de l’ordre d’un millionième du diamètre d’un proton, l’une des particules constituant le noyau d’un atome.
Maintenant, placez deux miroirs à une distance de quatre kilomètres, ce qu’a fait LIGO, et l’effet de l’onde gravitationnelle devient de l’ordre d’un dix-millième du diamètre d’un proton. « Ça, on sait faire, » affirme Weinstein.
LIGO se sert de deux détecteurs identiques en forme de « L » placés à un continent d’écart : l’un à Livingston, en Louisiane, et l’autre à Hanford, dans l’État de Washington. Pour que le signal d’une onde gravitationnelle soit reconnu comme réel, il doit apparaître sur les deux détecteurs, composés de deux jeux de miroirs placés perpendiculairement l’un de l’autre. Le passage d’une onde gravitationnelle va étendre l’espace-temps dans un sens et le contracter dans l’autre, provoquant une variation infiniment petite de la longueur du bras de l’un des détecteurs, mesurée par un laser.
Cet engin est l’un des appareils de mesure les plus sensibles du monde. En plus des ondes gravitationnelles, il est capable de détecter les vibrations d’un camion en train de rouler, d’un tremblement de terre ou d’un éclair sur une distance de six États, ainsi que les signaux des satellites de positionnement et les impulsions électromagnétiques de la haute atmosphère terrestre. Tout ce bruit doit être filtré pour récupérer le minuscule signal des ondes gravitationnelles.
Après plusieurs décennies de planification et d’allers-retours politiques, les détecteurs LIGO ont commencé leur quête de détection des ondes gravitationnelles en 2002 ; après huit ans de silence, les détecteurs ont finalement été désactivés en 2010 pour des travaux de renforcement de leur isolation des bruits perturbateurs.
Lorsque les observations par la version améliorée de LIGO, Advanced LIGO, ont repris le 18 septembre 2015, les scientifiques n’avaient aucun doute que quelque chose allait se passer.
Dans un étonnant coup du sort, la détection était déjà entre leurs mains. Les détecteurs avaient été réactivés avant le début officiel des observations, et avaient déjà récupéré un signal particulièrement alléchant. Le détecteur en Louisiane d’abord, puis, 7 millisecondes plus tard, celui de l’État de Washington.
« Lorsque ce signal s’est présenté, nous étions certains qu’il s’agissait d’une bonne chose. Étions-nous surpris, pensions-nous que c’était trop beau pour être vrai ? Absolument. Ma première réaction était de ne pas y croire, » se souvient Reitze.
QUAND LES TROUS NOIRS SE RENCONTRENT
À l’aide de certaines équations d’Einstein, les scientifiques ont remonté la piste des ondes observables pour déterminer quel type d’événement astrophysique se cachait derrière tout ça. Dans ce cas, les équations semblaient indiquer que le coupable était la collision entre deux trous noirs, et qu’en fusionnant, ces derniers avaient formé un nouveau trou noir d’une masse d’un peu plus de 60 masses solaires.
Formés par la mort et l’implosion d’étoiles massives, les trous noirs comptent parmi les plus étranges objets de l’univers connus… si on peut utiliser le terme « objet ». Il est facile d’imaginer un trou noir comme une boule de matière si dense que sa gravité piège tout ce qui s’en approche, même la lumière. Mais les trous noirs, plutôt que des « objets », sont en fait des régions où l’espace-temps intensément courbé forme un puits sans fond. La fusion de deux trous noirs n’est donc pas anodine.
« C’est une sorte grand tourbillon d’espace courbé évoluant à toute vitesse, » décrit Weinstein.
Dans la collision détectée par LIGO, les deux trous noirs se sont rapprochés en tournoyant pendant des millions de milliards d’années. Alors que leurs deux corps se rapprochaient de plus en plus, leurs orbites ont accéléré jusqu’à tourbillonner l’une autour de l’autre à peu près à la moitié de la vitesse de la lumière en émettant des quantités colossales d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles déformant l’espace.
Et puis, les trous noirs ont fusionné. Dans les dernières secondes avant la fusion, les trous noirs tourbillonnants ont émis plus d’énergie que l’univers tout entier en émet sous toutes les formes de rayonnement. Après la fusion, le trou noir nouveau-né s’est mis à osciller quelques instants avant de se stabiliser, émettant ce que l’on appelle un « ringdown », sorte de dernier râle avant le retour au calme.
C’est une histoire impressionnante que nous racontent ces variations infiniment petites de la distance entre deux miroirs sur Terre.
« Les données ont l’air spectaculaires, » commente l’astronome Scott Ransom du National Radio Astronomy Observatory, qui a consulté le manuscrit de l’équipe publié dans la revue Physical Review Letters. « Pouvoir observer les ondes dans les données de sortie du détecteur à l’état brut, sans aucun maquillage statistique, va au-delà des espoirs les plus fous de presque tout le monde. »
Les scientifiques de l’équipe de LIGO sont certains que le signal en est bien un. En fait, ils ont calculé qu’une fausse alerte aussi convaincante ne pourrait se produire qu’une fois tous les 200 000 ans. Les détections potentielles d’ondes gravitationnelles collectées par l’équipe jusque-là ne peuvent donc pas toutes être des fausses alertes. LIGO a décelé au moins un signal candidat supplémentaire le 12 octobre 2015, causé par la fusion des trous noirs, mais les scientifiques ne sont pas en mesure d’affirmer s’il s’agit ou non d’une fausse alerte.
UNE NOUVELLE ÈRE ET D'AUTRES RECHERCHES
C’est la première fois que des scientifiques récupèrent directement des ondes gravitationnelles, mais ce n’est pas la première preuve de leur existence. En 1974, Joe Taylor et Russell Hulse ont détecté ce qui était alors un objet nouveau et exotique : un pulsar bipolaire, autrement dit deux étoiles à neutrons tourbillonnant l’une autour de l’autre. L’équipe a déterminé que l’orbite des pulsars se contractait, et ont réalisé que la seule façon de rendre cette contraction possible était si des ondes gravitationnelles emportaient de l’énergie vers l’extérieur du système.
Cette découverte, preuve irréfutable de l’existence des ondes gravitationnelles, a valu à Taylor et Hulse de remporter le prix Nobel de physique en 1993.
La différence dans le cas présent, c’est que l’équipe de LIGO a réussi à directement observer les ondes gravitationnelles sur Terre. Cette découverte marque le début d’une nouvelle ère pour l’astronomie, durant laquelle les astronomes vont pouvoir sonder les tréfonds encore plus lointains de l’univers.
Voir l’univers en ondes gravitationnelles équivaudrait à la première fois que des scientifiques ont regardé le ciel au moyen d’appareils à infrarouge, à rayons X ou à micro-ondes. Pendant des millénaires, l’astronomie avait été étudiée à longueur d’onde visible : les humains observaient le ballet des étoiles et des planètes dans le ciel. L’univers infrarouge, quant à lui, a montré les amas chauds et poussiéreux où naissent les étoiles ; l’univers à rayons X les cadavres d’étoiles ; et l’univers à micro-ondes les vestiges du Big Bang. L’observation du ciel au moyen d’ondes gravitationnelles marquera une révolution similaire dans le milieu de l’astronomie.
« C’est une nouvelle façon d’étudier les objets et les phénomènes distants de l’univers que nous n’avons pas vraiment pu atteindre par rayonnement magnétique, » commente Taylor, astrophysicien à l’Université de Princeton, évoquant l’exemple des trous noirs. « On suspectait l’existence de quelque chose comme ça, et on a vu la preuve des trous noirs au centre des galaxies. Maintenant, on va pouvoir directement les mesurer, ce qui est très différent. »
Mais ce n’est pas tout. Dans les dix prochaines années, d’autres expériences pourraient continuer à détecter les ondes gravitationnelles. L’une d’entre elles, baptisée NANOGrav, utilise le pulsar milliseconde, qui mesure le temps de façon exceptionnellement précise, comme détecteur naturel d’ondes gravitationnelles. Lorsqu’une onde traverse un pulsar, elle modifie brièvement la durée de rotation de l’étoile morte, laissant derrière elle une signature révélatrice dont la trace peut être retrouvée dans le ciel.
Contrairement à LIGO, sensible aux ondes gravitationnelles produites par les cataclysmes d’envergure stellaire, la mesure d’un décalage dans la durée de rotation des pulsars permettra de détecter les ondulations bien plus grandes produites par les trous noirs supermassifs tournoyant sur eux-mêmes, sorte de canalisations d’évacuation cosmiques vers le centre des galaxies.
« Nous sommes capables de ressentir les dizaines de milliers d’années avant la fusion de ces trous noirs supermassifs, car c’est à ce moment-là que se produisent les ondes gravitationnelles qui correspondent à notre bande de fréquence, » raconte Ransom. « Il s’agit de milliards, ou au moins de centaines de millions de masses solaires dans ce cas. »
Une autre expérience a été proposée, qui verrait le lancement d’un observatoire des ondes gravitationnelles appelé eLISA dans l’espace, où il serait sensible aux ondes produites par toutes sortes de systèmes astrophysiques. Et puis, d’autres équipes sont également à la recherche des ondes gravitationnelles primordiales produites lors d’une période d’inflation cosmique rapide au début de l’univers. En 2014, l’équipe BICEP2 a annoncé les avoir découvertes, mais le signal s’est avéré être une trace de poussière et non une trace d’inflation.
LA DÉTECTION D'ONDES GRAVITATIONNELLES RÉCOMPENSÉE PAR UN PRIX NOBEL
Mardi 3 octobre dernier, le comité Nobel a décerné aux physiciens Rainer Weiss, Kip Thorne et Barry Barish le prix Nobel de physique pour avoir détecté des ondes gravitationnelles. À en juger par l'engouement suscité par l'annonce de la première détection d'ondes gravitationnelles en 2016, ce prix Nobel de physique est vraisemblablement le plus attendu depuis 2013, quand il avait été attribué aux physiciens François Englert et Peter Higgs pour leur découverte théorique du boson de Higgs.
« Pendant 40 ans, des scientifiques ont réfléchi et tenté de détecter ces ondes gravitationnelles. Ils ont peut-être échoué au début mais ont développé, lentement mais sûrement, la technologie leur permettant d'y parvenir », explique Rainer Weiss. « Le fait que nous soyons finalement parvenus à les détecter est extrêmement enthousiasmant : ces ondes gravitationnelles vont nous permettre d'en savoir plus sur les mystères de l'univers. »
« Le prix Nobel de cette année récompense une découverte qui a bouleversé le monde entier », affirme Göran Hanssen, secrétaire général de l'Académie suédoise. Le comité Nobel a attribué à Weiss la moitié du prix d'un million de dollars, tandis que Barish et Thorne se sont partagés l'autre moitié « en guise de récompense pour leurs contributions décisives au détecteur LIGO et leur observation des ondes gravitationnelles ».
