Astrophysique

Des ondes gravitationnelles détectées pour la première fois: une révolution en cosmologie!

Des chercheurs américains ont observé pour la première fois les ondulations de l'espace-temps, postulées il y a 100 ans par Einstein. La «découverte du siècle» selon certains

Einstein a eu tort et raison en même temps! Ce qui lui vaut ce jour de figurer à la Une de la presse mondiale. Raison, parce qu’en 1916, le physicien a prédit l’existence de déformations de l’espace-temps appelées «ondes gravitationnelles». Et tort, parce qu’il estimait ces ondulations cosmiques indétectables, car bien trop faibles. Jeudi à Washington, des chercheurs a annoncé avoir réalisé cette prouesse, déjà qualifiée de «découverte du siècle», tant elle ouvre une nouvelle porte sur l’étude astronomique de l’Univers, jusqu’au Big-Bang.

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«Nous avons détecté des ondes gravitationnelles!», a déclaré David Reitze, directeur de l’expérience LIGO, sous un tonnerre d’applaudissements, avant d’admettre qu’en voyant le signal, il ne «pouvait d’abord pas y croire». «C’est un cadeau de la Nature», a simplement ajouté Gabriela Gonzalez, porte-parole scientifique de LIGO.

Pour expliquer le concept d'«espace-temps», ce référentiel abstrait dans lequel s’inscrit l’Univers, les scientifiques aiment utiliser l’image d’un drap de lit tendu entre quatre pieux. Placez en son centre une boule de pétanque: elle y crée un creux. Plus l’objet est lourd, plus la courbure est marquée. De même, comme le drap, l’espace-temps se voit modifié par la présence des astres plus ou moins massifs.

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La bille et la boule de pétanque pour comprendre

La même métaphore sert à expliquer la force de gravitation. Lâchez sur le drap creusé une bille: sa trajectoire ne sera pas rectiligne, mais sera déviée par le creux, donc la masse le générant. Comme si la boule de pétanque avait attiré la bille vers elle lors de son passage.

Placez maintenant une deuxième boule sur ce drap, et faites tourner les deux objets ensemble autour d’un point central. Cette «danse» va imprimer au tissu des ondulations, similaires aux vagues que créent des cailloux lancés à la surface d’une marre plane. De même, les astres en mouvement dans l’Univers créeraient des vagues dans l’espace-temps, les «ondes gravitationnelles»; c’est ce qu’a postulé Einstein dans le cadre de sa théorie de relativité générale de 1915.

Un trou noir binaire, en rotation, crée des ondes gravitationnelles dans l'espace-temps (DR)

Les calculs ont ensuite suggéré que des couples d’objets célestes très massifs (trous noirs, étoiles à neutrons) pourraient générer des ondes gravitationnelles assez fortes pour déplacer les corps rencontrés sur leurs passage, de même que la vague sur l’étang fait bouger les bouées qui y flotteraient. Pour vérifier cette idée, les physiciens ont construit des expériences de taille, basées sur un vieux principe, celui de l’interféromètre.

Deux rayons orientés à angle droit et un jeu de miroirs les réfléchissant

Cet instrument met en scène deux rayons orientés et un jeu de miroirs les réfléchissant. Il permet de détecter, en scrutant les flux de lumière, si l’un des miroirs a été déplacé. Et plus les rayons sont longs, plus l’instrument est précis. Aux Etats-Unis, le consortium LIGO a construit deux interféromètres géants, l’un en Louisiane, l’autre dans l’État de Washington, avec chacun deux bras de 4 km de long placés à angle droit, et hébergeant des rayons laser, qui sont réfléchis à chaque extrémité par des miroirs.

L’appareillage, construit en 2002 mais amélioré dès 2010, est désormais sensible au point de repérer un déplacement d’un miroir correspondant à 1/10000e du diamètre d’un proton! Un décalage qui pourrait alors être le signe du passage d’une onde gravitationnelle. Et LIGO a vite tenu ces promesses.

Principe de fonctionnement d'un interféromètre du détecteur LIGO. La lumière ne parvient plus au détecteur (4) lorsqu'une onde gravitationnelle déforme le miroir (2). Le Temps/Florent Collioud



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Le détecteur américain LIGO, et ses deux bras à angle droit de 4 km de long (DR)

Enclenchée en septembre 2015, les deux interféromètres de Ligo ont livré leur première trouvaille, au coeur de l’annonce faite jeudi par des chercheurs du California Institute of Technology, du MIT de Boston, et de LIGO, et publiée dans les Physical Review Letters. Et ceci simultanément, preuve qu’il s’était bien passé quelque chose. En utilisant la théorie d’Einstein, et en refaisant les calculs à l’envers, ils estiment que les ondes gravitationnelles qu’ils ont observées ont été générées par la «danse» rapprochée de deux trous noirs de 29, respectivement 36 masses solaires, qui ont fini par fusionner en se collisionant à une vitesse faramineuse correspondant à la moitié de celle de la lumière. Un événement qui aurait eu lieu il y a un milliard d’années.

Ce qui est vraiment impressionnant, ce sont les possibilités que cette détection nous ouvre. Nous venons d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur notre univers, comme Galileo l’a fait lorsqu’il a inventé la lunette astronomique

«Le signal que nous avons enregistré est très caractéristique de ce qui est prévu par la théorie de la la relativité générale lors de la coalescence de deux trous noirs massifs, confirme David Reitze, directeur de LIGO à la California Institute of Technology (Caltech). Ce qui est vraiment impressionnant, ce sont les possibilités que cette détection nous ouvre. Nous venons d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur notre univers, comme Galileo l’a fait lorsqu’il a inventé la lunette astronomique.»

Traquer un signe dans le bruit de fond

Cette découverte ne fut pas une sinécure, tant les effets des ondes gravitationnelles sont infimes, comme l’avait averti Einstein. Il a fallu détecter la signature de leur passage dans le «bruit de fond», traduisant toutes les autres raisons susceptibles d’avoir fait bouger un des miroirs de LIGO, comme un mini-tremblement de terre, ou le simple passage d’un camion… «Mais les progrès dans les méthodes d’analyse statistique ont fait d’immenses progrès, commente Ruth Durrer, professeure de physique théorique à l’Université de Genève. Aujourd’hui, les modèles permettent de repérer avec grande acuité dans les données récoltées l’événement traqué».

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En l’occurrence, avec une précision de plus «5.1 sigma», selon le jargon des physiciens; sur l’échelle croissante idoine, 5 sigma est le seuil au-delà duquel les chercheurs se permettent d’annoncer une découverte, comme celle du boson de Higgs, la particule mise au jour en 2012 au CERN. Car à ce degré de précision, il est quasi impossible d’expliquer par le seul hasard l’apparition des données observées. Autrement dit, la probabilité d’erreur serait du même ordre que celle qui verrait des parasites radio reproduire une symphonie de Beethoven…

Surtout, se prémunir contre tout emballement

Mieux, les physiciens se sont prémunis contre tout emballement devant des données anormales: des spécialistes externes à LIGO sont à même d’instiller dans l’expérience de faux signaux, afin de vérifier que les scientifiques sont capables d’accomplir jusqu’au bout leur travail d’identification d’une vraie découverte. Une telle opération avait été réalisée en 2010, juste avant la fermeture de l’engin pour réfection. De quoi créer alors une immense excitation, avant que l’intervention externe ne soit rendue publique… «Mais ce genre d’exercice a servi à montrer que les détecteurs sont fiables», dit Ruth Durrer.

La collision de deux astres très massif peut générer des ondes gravitationnelles (DR)

Cette fois donc, rien d’artificiel. «Cette découverte ouvre le passionnant et gigantesque champ de l’astronomie gravitationnelle'», se réjouit la physicienne. Et d’expliquer que, jusqu’à aujourd’hui, les astres étaient analysés à l’aide du rayonnement qu’ils émettent (visible, radio, UV, rayons X,…). «Or désormais, la preuve de l’existence des ondes gravitationnelles nous offre un moyen inédit d’étudier les trous noirs, dont on sait peu de choses», ou encore les étoiles à neutrons et le cœur des astres.

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En effet, à l’inverse des rayonnements connus, qui se laissent stopper par d’autres objets célestes, les ondes gravitationnelles ont un pouvoir pénétrant infiniment plus grand, et sont diffusées sur de grandes distances dans l’Univers. Au point de livrer aussi des renseignements impossibles à acquérir autrement sur les phases très primitives du cosmos et sur les événements violents qui y ont eu lieu.

Une nouvelle ère, prometteuse

«La nouvelle ère qui s’ouvre en astronomie se veut très prometteuse», a dit Rainer Weiss, du MIT, et co-fondateur de LIGO. Outre les deux interféromètres LIGO, les physiciens ont amélioré leur «frère» VIRGO, situé en Italie, qui entrera en service sous peu. Trois instrument qui permettront alors, par triangulation, de localiser dans le ciel les objets à l’origine d’ondes gravitationnelles. A commencer par le duo de trous noirs précité, dont on devine seulement «la localisation, dans les environs du nuage de Magellan», dit Gabriela Gonzalez.

Surtout, l’Agence spatiale européenne (ESA), en collaboration avec d’autres institutions, développe le projet Lisa, visant à installer vers 2030 un interféromètre dans l’espace, avec des bras gigantesques d’un million de km, donc encore plus précis. «Maintenant que l’on sait que ces ondes gravitationnelles existent, construire ces instruments du futur n’est que plus souhaitable», plaide Ruth Durrer.

Les futurs projets de détecteurs d'ondes gravitationnelles Le Temps/Florent Collioud
Le détecteur Lisa devrait être lancé vers 2030 par l'Agence spatiale européenne (ESA): il sera composée de trois sondes séparées chacune d'un millions de km, cette distance équivalent aussi aux bras de l'interféromètre (EADS)

Modifier la vision des trous noirs

Une application concrète de la découverte des ondes gravitationnelles pourrait avoir lieu dans un domaine inattendu: le cinéma. Kip Thorne, physicien au California Institute of Technology et cofondateur de l'instrument LIGO, a également été le conseiller pour le film «Interstellar» dans la conception de la visualisation du trou noir au cœur du long-métrage.

Croisé lors de l'annonce des résultats de LIGO, il explique, dans cette vidéo, que la suite «Interstellar 2» intégrera sans doute les connaissances acquises grâce aux ondes gravitationnelles afin d'obtenir des trous noirs encore plus réalistes.

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