Astrophysique

Briller en société grâce aux ondes gravitationnelles

A table ou à la machine à café, voici comment aborder sereinement toute discussion à venir au sujet de la découverte des ondes gravitationnelles, qui sera annoncée cet après-midi

C'est une découverte scientifique majeure, peut-être encore plus importante que ne l'a été celle du boson de Higgs en 2012: des scientifiques sont parvenus, pour la première fois, à détecter directement la présence d'ondes gravitationnelles. L'annonce en sera faite ce jeudi après-midi.

Si les notions d'espace-temps ou les travaux d'Albert Einstein ne vous sont pas familiers, pas de panique: nous vous proposons de mettre vos connaissances à jour en quelques minutes, afin de saisir la portée de ces travaux qui vont révolutionner notre connaissance de l'Univers.

1. Que sont les ondes gravitationnelles?

Que ce soit dans des livres de physique, des jeux vidéo ou des films de science fiction, vous avez certainement déjà vu ce genre de schéma, où un objet situé dans l'espace semble comme posé sur un filet qu'il déforme.

Une déformation de l'espace temps. Wikipedia

Il s'agit d'une représentation de la déformation de l'espace-temps, concept développé par Albert Einstein il y a presque exactement cent ans. Pour le physicien, espace et temps ne forment qu'une seule et même entité qui peut se déformer sous l'effet d'une masse.

Déposez une balle de ping-pong sur le filet, puis recommencez l'expérience avec une boule de bowling: la déformation est d'autant plus grande que la masse de la boule est importante. C'est la même chose pour l'espace-temps.

Ces déformations ne sont pas immobiles: elles peuvent se propager dans le cosmos, exactement comme des ondes se propagent à la surface de l'eau lorsqu'on y jette un caillou: ce sont des ondes dites gravitationnelles, dont Einstein a postulé l'existence dès 1916.

La propagation d'ondes gravitationnelles (cliquez pour lancer l'animation). Wikipédia

Pour vérifier leur existence, il ne restait donc qu'à les détecter. La tâche s'est annoncée difficile: d'après le physicien, seuls les objets les plus massifs sont en fait capables de générer des ondes gravitationnelles que l'on pourrait détecter. Oubliez les planètes et la plupart des étoiles, il faut viser plus gros, trous noirs ou systèmes binaires d'étoiles sont les seuls candidats suffisamment massifs capables de déformer suffisamment l'espace-temps pour que nous les mesurions. Les ondes gravitationnelles discutées aujourd'hui ont été générées par de véritables monstres: un couple de trous noirs de 29 et 36 masses solaires!

2. Comment détecter une onde gravitationnelle?

Que se passe-t-il lorsqu'une onde gravitationnelle passe sur un objet? Elle modifie sa longueur, de manière quasi imperceptible, de l'ordre de l'attomètre, soit 10-18 m ou encore un milliardième de milliardième de mètre. C'est environ mille fois plus petit que le noyau d'un atome!

Evidemment, il n'est pas question de mesurer de tels écarts avec un pied à coulisse. Pour les observer, les scientifiques ont bâti de gigantesques dispositifs de détection de plusieurs kilomètres de long, qui reposent sur le principe de l'interférométrie.

Grossièrement résumé, le principe est le suivant: un détecteur observe un faisceau laser qui est censé lui parvenir en permanence droit dans les yeux. Avant de parvenir jusqu'au détecteur, ce faisceau laser est réfléchi par des miroirs d'une quarantaine de kilos qui, s'ils sont déformés, même de manière infime, par le passage d'onde gravitationnelle, dévient la lumière du détecteur qui ne voit plus rien pendant une fraction de seconde.

Pour maximiser les chances de détection, on utilise des faisceaux les plus longs possibles (ceux de LIGO, l'installation qui a détecté la première onde gravitationnelle, font 4 km de long). De la sorte, le moindre petit décalage à un bout du faisceau (au niveau du miroir) sera amplifié de manière perceptible à l'autre bout (côté détecteur)

3. Pourquoi s'agit-il d'une découverte capitale?

Les ondes gravitationnelles sont un outil supplémentaire dans la trousse des physiciens. Pour étudier notre Univers, ces derniers scrutent le cosmos en observant diverses ondes, de la lumière visible aux rayons X en passant par les infrarouges. Chaque type d'onde constitue un filtre qui donne des informations différentes, telles que la composition en gaz ou la température d'une région donnée.

Toutes ces ondes sont dites électromagnétiques. Mais les ondes gravitationnelles sont d'une toute autre nature: elles n'interagissent pas avec la matière, et devraient donc fournir une nouvelle «photo» de l'Univers.

En outre, étant générées par les éléments les plus massifs de l'Univers, il ne fait aucun doute qu'elles fourniront de précieuses informations sur ces gigantesques structures.

Et ce n'est qu'un début: car la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'attèlera à l'observation du fonds diffus de ces ondes, autrement dit de celles qui ont été créées lors des balbutiements de l'Univers. La saga ne fait que commencer.

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