Astronomie

Le Prix Nobel de physique célèbre les ondes gravitationnelles

La mise en évidence de ces ondes, qui valide la théorie de la relativité d'Einstein, fut la découverte scientifique de 2016. Rainer Weiss reçoit la moitié du prix, l'autre étant partagée par Barry C. Barish et Kip S. Thorne. Ce dernier, vulgarisateur star et conseiller scientifique du film Interstellar, avait accordé un entretien au Temps il y a un an

Le prix Nobel de physique 2017 a été décerné conjointement à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne pour l'observation des ondes gravitationnelles. 

C'est un prix Nobel très attendu, qui donne raison aux pronostics les plus fréquemment posés ces dernières semaines: la détection directe des ondes gravitationnelles en 2016 n'était ni plus ni moins que la découverte physique de la décennie. Elle est venue confirmer une hypothèse formulée par Albert Einstein il y a un siècle.

Le physicien estimait en effet que les masses étaient capables de déformer l'espace-temps, générant ainsi des ondes se propageant dans l'Univers. Pour l'illustrer, imaginez un drap tendu sur lequel est déposé une lourde boule: le tissu se déforme. 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.

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Einstein avait beau être persuadé de l'existence de ces ondes, il pensait également qu'on ne pourrait jamais les détecter. Les physiciens lui ont finalement donné tort. Engagés au sein d'une immense collaboration internationale comme seule la physique sait les faire, ils ont bâti, d'après les idées pionnières de Rainer Weiss dans les années 1970, le premier lauréat, des détecteurs, les interféromètres laser capables de «sentir» les infimes oscillations de matières engendrées par le passage d'une onde gravitationnelle. Le projet LIGO était né.

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Une grande part du mérite revient également à ceux qui ont su mener cet immense projet à terme, au bout de près de 40 ans:  les deux autres co-lauréats Barry C. Barish et Kip Thorne, que notre journaliste Olivier Dessibourg avait rencontré il y a un an tout juste; et dont nous vous reproposons cet entretien. 


«La cosmologie sera l'héritage de notre époque, comme les arts sont celui de la Renaissance» (30 septembre 2016)

Perfecto et jeans, crane rasé, barbichette de hipster poivre et sel: sur une vidéo de YouTube, questionné par un journaliste de «Time», Kip Thorne a tout d'une star mais rien d'un astrophysicien parmi les plus célèbres au monde. Agé de 76 ans, ce professeur émérite au prestigieux California Institute of Technology (Caltech) est pourtant aussi connu des théoriciens de la relativité générale, dont il est l'un des plus brillants représentants, que des cinéphiles. Il a en effet servi de consultant pour mettre en images «Gargantua», le trou noir ainsi nommé dans le film «Interstellar», en 2013.

Boucles de gravité quantique, trous de vers, univers multiples: autant de concepts fantasmagoriques qui n'ont plus de secrets pour lui, et dont, en vulgarisateur passionné, il aime parler. Surtout, Kip Thorne a connu son heure de gloire en février 2016, lorsqu'a été annoncée, après des décennies de traque, la découverte d'ondes gravitationnelles, ces vagues dans l'espace-temps prédites en 1916 par Albert Einstein. Des concepts cosmiques sur lesquels il a beaucoup travaillé, autant en théorie qu'en pratique: c'est entre autres grâce à ses travaux qu'a pu être construit le détecteur LIGO, l'instrument qui a permis de mettre au jour ces ondes. De quoi révolutionner l'astrophysique!

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Récipiendaire de très nombreux prix, Kip Thorne était à Genève il y a peu pour y ajouter celui de la Fondation Tomalla, qui distingue tous les trois ans avec 100000 francs des physiciens de pointe dans les recherches sur la gravitation. La reconnaissance à son égard atteindra peut-être son apogée mardi, puisqu'il figure en tête de liste des candidats aux Prix Nobel, qui seront annoncés la semaine prochaine.

 Le Temps: Dans l'un de vos livres, vous qualifiez l'héritage scientifique d'Einstein de «sulfureux». En quoi l'est-il?

Il y a plus d'un siècle déjà, Einstein a fait des prédictions très étranges et difficiles à accepter pour les physiciens. Par exemple au sujet des trous noirs; ces objets fascinants ne sont pas faits de matière, comme vous et moi. Ils sont constitué d'espace-temps courbé, ou enroulé sur lui-même. C'est ardu à imaginer. Mais ce qu'il faut en retenir, c'est que ce sont des objets qui exercent une force d'attraction si forte que, en-deçà d'un seuil appelé «horizon», plus rien (même pas la lumière) ne peut sortir. Sauf dans le film «Interstellar»... (rires) Les équations mathématiques qui les décrivent sont si belles mais aussi si étranges qu'elles n'ont été vraiment comprises que dans les années 1960.

Et qu'en est-il des ondes gravitationnelles?

Expliquer ces ondulations, qui sont comme des vagues à la surface d'un étang qui serait l'espace-temps, se fait de manière plus naturelle, plus acceptable. Même si les mathématiques sous-jacentes restent très subtiles. Einstein lui-même émettait parfois des doutes sur leur existence.

Avec leur découverte, vous lui avez donné raison. Comment se sent-on d'avoir validé les pensées d'Einstein?

Je n'ai été que l'un des théoriciens qui ont éliminé ces doutes, du moins sur le plan théorique. Au début, j'étais très sceptique sur le fait qu'on puisse découvrir un jour ces ondes gravitationnelles. Puis, après avoir planché longtemps sur les calculs, je me suis convaincu que c'était possible, avec des détecteurs extrêmement sophistiqués. Il a fallu pour cela, avec un millier d'ingénieurs, développer des technologies qui n'existaient alors pas. Et ensuite des décennies de labeur pour faire fonctionner ces instruments si complexes et précis, tant ces ondes ont des effets infimes. Mais je n'avais plus d'hésitations; j'étais juste exagérément optimiste sur l'agenda, en partie car j'avais sous-estimé les difficultés à obtenir l'argent nécessaire.

Lors de l'annonce de la découverte, j'ai donc ressenti une satisfaction profonde, mais pas d'excitation, car je réalisais que j'avais consacré tant d'efforts dans la bonne direction. Mes acolytes du projet Ron Drever (CalTech) et Rainer Weiss (MIT de Boston), eux, étaient très soulagés, car ils avaient jadis convaincu la Fondation nationale des sciences (NSF) et le Congrès américain d'investir 1.1 milliard de dollars dans le projet, mais n'avaient jusque-là rien à montrer... Pour les jeunes scientifiques enfin, qui n'avaient pas connu toutes ces étapes, cette découverte a été euphorisante.


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Maintenant que ces ondes tant recherchées ont été trouvées, les futurs instruments idoines sont-ils encore justifiés?

Le détecteur LIGO est comme le premier télescope optique de Galilée: il n'a pas empêché d'en construire des plus puissants, jusqu'au fantastique télescope spatial Hubble. Nous en avons alors appris bien davantage sur l'Univers, en ouvrant de nouveaux champs du spectre d'observations (ondes radios de l'Univers profond, rayons-X, etc). Avec les détecteurs d'ondes gravitationnelles à venir, dont celui nommé Lisa, qui pourrait être lancé dans l'espace [vers 2030], on gagnerait jusqu'à un facteur 10000 dans la précision de nos observations.

Qu'allez-vous pouvoir étudier?

Par exemple, la collision de deux trous noirs. Il faut savoir que ces objets, comme des tornades, distordent l'espace dans leur proche voisinage. Et dedans, l'espace est enroulé dans le sens des aiguilles d'une montre au «pôle Nord» du trou noir, et dans l'autre sens à son «pôle Sud», créant ainsi deux vortex. Or lorsque deux trous noirs se mélangent, ils devraient y avoir quatre de ces vortex, mais deux disparaissent... C'est un comportement merveilleusement fascinant et non connu. Pour étudier ce genre de phénomène, nous allons créer des simulations sur ordinateur, et comparer les résultats avec ce qu'on observera dans les détecteurs repérant les ondes gravitationnelles qui sont générées lors de la fusion de trous noirs.

Comment avez-vous transformé ces équations en images, pour le film «Interstellar»? Et a quel point les images du trou noir, dont rien n'est pourtant censé pouvoir sortir, sont-elles réalistes?

La vision du trou noir présentée est tout à fait réaliste, si l'on suppose que l'on se trouve en présence d'un disque d'accrétion de matière particulier. De mon côté, j'ai travaillé durant plusieurs mois avant de fournir des équations mathématiques décrivant comment des rayons de lumière voyagent de leur source, à travers le voisinage du trou noir, jusqu'à une caméra placée derrière. Les médiamaticiens de la société britannique Double Negative ont ensuite passé six moins à construire ces images, point par point. Ce fut extrêmement complexe. A tel point que nous avons même publié notre méthode de travail dans une revue spécialisée.

Qu'avez-vous appris de ces travaux scientifiques?

Des détails pas si importants pour le grand public, mais fascinants pour nous, scientifiques. Par exemple, sur ce phénomène dit des «lentilles gravitationnelles», selon lequel des objets extrêmement denses, comme des trous noirs, ont un effet de loupe sur les rais de lumière se propageant dans l'Univers.

Dans le film, on voit le vaisseau entrer et sortir du trou noir. A quel point souscrivez-vous aux éléments scientifiques présentés dans la version finale?

Il y a là trois types de science. D'abord les «absolues vérités», comme les images des trous noirs. Puis des «spéculations», soit des concepts dont on pense qu'ils sont possibles, mais sans le savoir vraiment. Par exemple, notre univers existe-t-il dans une cinquième dimension, autre que les quatre connues (trois pour l'espace, et une pour le temps)? Il y a des raisons (aussi mathématiques) de le croire, mais pas de preuve. Enfin, il y a les «suppositions bien informées», des idées scientifiques qui sont quasi certaines. Ainsi, dans un trou noir, il existerait selon les équations trois «singularités», des endroits où la gravitation est si intense que tout est absolument distordu, que toutes les théories physiques deviennent caduques, mêmes celles d'Einstein. Il faudrait pour l'affirmer complètement des simulations informatiques très précises qui n'ont pas encore été menées. Mais le film montre que le héros touche une de ces singularités.

Qu'en est-il du fameux trou de ver, aussi évoqué?

Les trous de ver sont des raccourcis spatio-temporels permettant de voyager d'un coin à un autre de l'Univers; il s'agit de «spéculations», mais dont une description mathématiques sort des équations d'Einstein. Si l'on est proche de l'une des extrémités de ce tunnel, on devrait voir, comme dans une boule de cristal, un point de lumière, qui correspond à la lumière provenant de l'autre bout. Donc le trou de ver agit comme une fibre optique qui va transporter une image d'un endroit à un autre, cette fibre empruntant pour cela une cinquième dimension de l'espace, qui permet d'aller plus vite.

Donc de voyager dans le temps, dit-on. Et vous, que changeriez-vous de votre passé si vous pouviez emprunter un trou de ver?

(Rires). Je ne pense pas qu'on puisse changer le passé en empruntant un trou de ver, comme dans la science-fiction. Tout au mieux peut-on observer passivement ce qu'il s'y passait, et glaner des informations perdues dans l'Histoire. Impossible donc d'aller tuer votre grand-père... (même si, justement, l'on n'en est pas sûr à 100%). De même pour le futur: l'Histoire que vous expérimenteriez serait théoriquement la même que celle vécue par les gens sur le fil normal du temps. C'est juste que, si ces événements ont lieu loin dans le futur, vous auriez une chance de les voir.

«Interstellar» est un fantastique vecteur pour parler de sciences. Mais, après 2h49 de pellicule, qu'en retiennent les spectateurs?

Cela les inspire surtout, lorsqu'ils apprennent que nombres d'éléments de l'histoire se basent sur de la science réelle. C'est ce que je souhaitais en participant au scénario, atteindre un large public pour lui montrer les beautés de la science bien mieux que je le peux comme professeur.

Surtout, la cosmologie fascine plus que d'autres domaines. Pourquoi?

Les hommes sont naturellement curieux à propos du ciel, du «paradis», de l'Univers. Cela répond de manière scientifique aux questions qu'ils se posent, et auxquelles ont répondu pendant des siècles les religions.

Et vous, êtes-vous croyant?

Je suis né mormon, religion dans laquelle j'ai de solides racines. Mais à 20 ans, j'ai perdu l'intérêt pour elle, car j'ai découvert que la science permettait de répondre de manière 100% sûre à ces questions, tandis que la religion ne permettait pas cette certitude.

Comment êtes-vous venu à la science?

Je voulais devenir déblayeur de neige, dans l'Utah, où celle-ci est abondante et où nous disposons de très puissants engins pour l'enlever. A huit ans, ma mère m'a emmené à une conférence sur le système solaire. Je n'ai, depuis, pas décroché de l'astronomie.

Vous êtes devenue une icône. En manque-t-il dans le monde scientifique?

Peut-être. C'est important qu'il y en ait aussi dans la science, car dans le monde actuel, les gens accordent leur attention aux stars. Cela aide à transmettre le message que la science peut fournir les clés pour résoudre les problèmes auxquels nos civilisations, et même la race humaine, sont confrontées. Cela dit, je me sens mal à l'aise d'être une icône; je suis reconnaissant de ne pas être Stephen Hawking, la plus grande de toute!

Votre statut vous sert-il pour convaincre les politiques?

Il est vrai qu'aux Etats-Unis, il serait bien que la science soit mieux appréciée, comme en Europe. Tant il est vrai que certains domaines qui paraissent farfelus peuvent être totalement lâchés par des politiciens qui ne veulent pas risquer d'y être associés, comme la quête de vie extraterrestre. De même, d'autres champs comme le recherche climatique ou la théorie de l'évolution sont reniés par certains partis pour des questions uniquement idéologiques. C'est un problème majeur, alors que ce sont de ces mêmes domaines que germeront des solutions – technologiques pour contrer le réchauffement, et génétiques pour faire avancer la biologie, la médecine ou l'agriculture. Il faut agir pour contrer ces mouvements. Et je ne cesse de rappeler que, au-delà même des avancées techniques qu'espèrent souvent ceux qui financent la science, le plus important reste qu'elle constitue l'héritage culturel que nous léguons à nos descendants.

Dans 300 ans, ceux-ci jaugeront nos civilisations et les découvertes en cosmologie que nous effectuons aujourd'hui de la même manière que nous jaugeons les acteurs de Renaissance à l'aune de leurs fabuleux legs en musique, en architecture, en peinture voire en méthodologie scientifique plutôt qu'à travers leurs simples inventions.

Nous vivons une époque très enthousiasmante en cosmologie.

Pour reparler de religion et de Stephen Hawking, cet astrophysicien a dit que lorsque l'on aura trouvé une «théorie du tout», l'on connaîtra les pensées de Dieu...

Les physiciens cherchent en effet une théorie qui, outre toutes les forces que nous connaissons et qui décrivent bien l'Univers, englobe aussi la gravité, jusque-là exclue. Je crois que l'on va y arriver, même avant que je meurs; j'ai certes 76 ans, mais je compte vivre jusqu'à 110 ans. Ce qui nous laisse 35 ans (rires).

Et à quelle(s) découverte(s) majeure(s) vous attendez-vous dans les 20 prochaines années?

Lors de l'explosion originelle qu'a dû être le Big-Bang, des ondes gravitationnelles ont été générées par l'inflation extrêmement rapide de l'Univers qui s'en est suivi. L'idée est aujourd'hui, pour examiner ces ondes, de les amplifier comme on amplifie des sons dans des haut-parleurs. Il faut pour cela étudier très finement le reliquat du ciel primordial, appelé «fonds diffus cosmologique». Je m'attends aussi à ce qu'on fasse des découvertes sur les mystérieuses «matière et énergie sombres», qui emplissent 95% de l'Univers, mais dont on ignore la nature. Nous vivons une époque très enthousiasmante en cosmologie.

Pour vos découvertes sur les ondes gravitationnelles, vous êtes souvent cité pour le Nobel. Le gamin de huit ans féru de planètes en a-t-il jamais rêvé?

Cela n'a jamais été un but pour moi. Et cela me gênerait, dans le sens où ce prix devrait récompenser une équipe d'un millier de collègues intelligents et passionnés. Moi, je voulais simplement comprendre l'Univers, j'étais fasciné. Et le suis toujours. 


Questionnaire de Proust

- Si vous deviez changer quelque choses à votre biographie?
- Rien

- Quoi pour incarner l’intelligence?
- La créativité

- La dernière fois que vous avez pleuré?
- Quand j’ai vu les premières images du film Interstellar

- Si vous étiez un animal?
- Je suis un animal

- Votre plus mauvaise habitude?
- Ne pas accorder assez d’attention à ce qui se passe autour de moi

- Le dernier livre que vous avez lu?
- Je lis si rarement… Le prochain, par contre, est «The second machine age», d'Erik Brynjolfsson et Andrew McAfee: c’est un livre très important, qui est sur ma table de nuit

- Quel talent n’aurez-vous jamais?
- Peindre

- Trois adjectifs pour vous qualifier?
- Curieux, hédoniste, et c’est tout

- Un chèque en blanc, vous avez une minute pour acheter votre rêve…
- Acheter la génération à venir d’instrument pour détecter les ondes gravitationnelles

- Votre pire cauchemar?
- Je n’en ai pas

- Votre meilleur remède à un coup de cafard?
- Penser aux belles choses de ma vie, comme ma femme

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