Virgo : enfin à l'affût des ondes gravitationnelles !

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C'est une bonne nouvelle pour toute la communauté des chercheurs en astrophysique relativiste. Le 18 mai 2007, le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo a débuté sa phase d'exploitation scientifique, après plusieurs années de tests et de réglages fins. On attend de lui qu'il vérifie toutes les prédictions détaillées concernant, entre autre, les collisions d’étoiles à neutrons et de trous noirs dans des systèmes binaires.

Les déformations du tissu de l'espace-temps se propageant sous forme d'ondes émises par une source en arrière-plan à la manière de vagues (©Lionel BRET/EUROLIOS).

Chaque fois qu’une bande de longueurs d’onde nouvelle s'est ouverte pour l’astronomie, des découvertes fondamentales sur le cosmos ont été faites. Il suffit de penser aux progrès effectués grâce à la radioastronomie et grâce à l’astronomie en rayons X pour s’en convaincre. Or, les ondes gravitationnelles sont constituées du type de rayonnement le plus pénétrant de l’Univers, des déformations de la structure de l’espace et du temps. Il devrait donc nous donner accès à des phénomènes difficilement observables, comme l’intérieur des étoiles à neutrons et les oscillations de l’horizon d’un trou noir lorsque celui-ci engloutit une naine blanche ou un autre trou noir.

Ces ondes ont été prédites par Einstein dès 1917 et, si l’on compare l’espace-temps à un fluide, des mouvements violents de la matière, comme l’explosion asymétrique d’une supernova ou des collisions d’astres compacts, devraient être suffisants pour l’agiter. Car, si les ondes gravitationnelles ne peuvent pas être stoppées, elles n’en sont pas moins très difficiles à produire avec une intensité détectable si on la compare aux ondes électromagnétiques. Pour s’en convaincre, il suffit de se rappeler que la force d’un aimant est suffisante pour contrecarrer l’attraction gravitationnelle de toute la Terre sur un clou en métal !

Leur existence n’est plus mise en doute depuis la découverte, par Hulse et Taylor, d’un pulsar binaire dont la période de rotation ne cessait de diminuer du fait de la perte radiative d’énergie sous forme de rayonnement gravitationnel. Ils ont d’ailleurs eu le prix Nobel de physique en 1993 pour leur découverte.

Toutefois, rien ne vaut une détection directe et, comme l’astronomie gravitationnelle est riche en promesses, il a donc été décidé de construire une série de détecteurs terrestres. C’est pourquoi la France et l’Italie, avec le CNRS et l’Institut National de Physique Nucléaire italien (INFN), ont joint leurs moyens en 1993 pour construire, près de Pise, un énorme interféromètre de Michelson constitué de deux bras orthogonaux de 3 km de longueur chacun. Des tubes sous vide ont donc été enterrés et, à l’intérieur, circulent des faisceaux lasers intenses et très stables qui par de multiples réflexions parcourent un total de 120 km.

Schéma de l'interféromètre de Virgo (©Lionel BRET/EUROLIOS).

Sous l’action d’ondes gravitationnelles, les distances dans l’espace sont modifiées et cela se traduira donc par l’apparition d’une figure d’interférence avec cet instrument. Le résultat est, évidemment, très difficile à obtenir, car il faut isoler autant que possible le dispositif du bruit sismique quelle qu'en soit l'origine, comme par exemple une simple voiture roulant à côté du détecteur ! Les ingénieurs et les physiciens l’ont pourtant fait et l’environnement de l’interféromètre Virgo est devenu plus calme que celui d’un vaisseau spatial en orbite autour de la Terre. On comprendra aisément pourquoi ce fut nécessaire en calculant la différence de distance qu’il faut mesurer. Elle est de l’ordre d’un milliardième du diamètre d’un atome (10^-18 mètres).

Des dispositifs analogues sont opérationnels aux USA avec LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et, en Allemagne, avec GEO. C’est important si l’on veut soustraire du signal enregistré des perturbations locales, ou si l’un des détecteurs tombait malencontreusement en panne. Même si Virgo fonctionne nuit et jour, dans l’état actuel de sa sensibilité, il ne peut détecter qu’un événement par an dans un volume qui s’étend jusqu’à l’amas de galaxies de la Vierge, d’où d’ailleurs son nom de Virgo. C’est en effet le taux calculé d’après les estimations des collisions d’astres compacts produisant des OGs à une intensité et une fréquence détectables par Virgo. Ce nombre pourra être multiplié par plusieurs centaines, à l’horizon 2011, en améliorant le dispositif. Traduites dans la bande sonore, les ondes gravitationelles produites par un trou noir stellaire, spiralant en direction d'un trou noir massif en rotation, donneraient à peu près ceci.

Si les modèles se confirment, il y a gros à parier que des gens comme Kip Thorne, Stephen Hawking et Roger Penrose décrocheront automatiquement le prix Nobel. De plus, quels phénomènes physiques totalement inattendus ne manqueront pas de détecter ces instruments ? L’avenir nous le dira bientôt !

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