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Ondes gravitationnelles : l’hypothèse majeure d’Einstein révélée jeudi ?

Le télescope gravitationnel Ligo aurait détecté directement les ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs stellaires. Si la rumeur venait à être confirmée, ce serait une découverte scientifique plus spectaculaire que celle du boson de Brout-Englert-Higgs, qui ouvrirait une nouvelle ère en astrophysique.

Une représentation d'artiste d'ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu de l'espace-temps et rayonnées par un couple de trous noirs spiralant l'un vers l'autre. Ce mouvement leur fait perdre de l'énergie, et c'est elle qui s'échappe sous forme d'ondes. © K. Thorne (Caltech)-T. Carnahan (Nasa GSFC) Une représentation d'artiste d'ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu de l'espace-temps et rayonnées par un couple de trous noirs spiralant l'un vers l'autre. Ce mouvement leur fait perdre de l'énergie, et c'est elle qui s'échappe sous forme d'ondes. © K. Thorne (Caltech)-T. Carnahan (Nasa GSFC)

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trou noir binaire onde K Thorne T Carnahan Nasa GSFC

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Est-on sur le point de détecter directement les ondes gravitationnelles prédites par Einstein il y a presque un siècle... ou l'a-t-on déjà fait ? En avril 2010, Futura-Sciences faisait état d’un article publié sur arXiv par Chris Belczynski, du Los Alamos National Laboratory, et ses collègues astrophysiciens, qui prévoyaient que les premières ondes détectées ne proviendraient pas de systèmes binaires d’étoiles à neutrons mais de trous noirs binaires. Optimistes, les chercheurs n’hésitaient d’ailleurs pas à prédire que cette détection pourrait survenir dès l’année 2015, date à laquelle les deux plus puissants télescopes à ondes gravitationnelles, Ligo et Virgo, auront été « upgradés » pour atteindre un seuil de sensibilité nettement supérieur.

En janvier 2016, nous rapportions une rumeur persistante qui laissait effectivement entendre qu’Advanced Ligo avait déjà observé des signaux provenant d’un système binaire de trous noirs peu après son démarrage en septembre 2015. Bien que nous ayons pronostiqué que l’un des événements marquants de l’astrophysique en 2016 pourrait être la première preuve directe de l’existence des ondulations du tissu de l’espace-temps, nous mettions en garde contre l’emballement médiatique en rappelant deux malheureuses affaires, celle des neutrinos transluminiques du Cern et celle de la détection des ondes gravitationnelles du Big Bang par la collaboration Bicep2.


Présenté par Hubert Reeves et Jean-Pierre Luminet, Du Big Bang au Vivant est un projet TV-Web-cinéma qui couvre les plus récentes découvertes dans le domaine de la cosmologie. Dans cette vidéo, Jean-Pierre Luminet nous parle des ondes gravitationnelles. © Du Big Bang au Vivant, YouTube

Trois masses solaires converties en ondes gravitationnelles

Il semble désormais que l’on puisse être raisonnablement moins prudent, même en l’absence d’une publication officielle des membres de la collaboration Ligo qui ont jusqu’à présent refusé de commenter dans un sens comme dans un autre la rumeur propagée sur la Toile. Le journal Science a en effet relayé un message sur Twitter du physicien théoricien Clifford Burgess. Il est, tout comme Stephen Hawking, membre du Perimeter Institute for Theoretical Physics (PI), un institut de recherche indépendant spécialisé dans l'étude de la physique théorique situé à Waterloo, au Canada. Burgess affirme que des collègues ont eu l’opportunité de jeter un coup d’œil à un article qui devrait être publié ce jeudi 11 février 2016 dans le journal Nature. Que contient cet article ?

Rien de moins qu’une bombe. Les membres de la collaboration Ligo y annonceraient une vraie découverte avec un signal qui atteindrait les 5,1 sigma dans le jargon des physiciens, c'est-à-dire tellement improbable qu’il ne peut s’expliquer raisonnablement par un effet du hasard. Ce serait alors comme si des parasites radio mimaient une musique de Mozart. La symphonie captée par Ligo serait donc réelle...

Tout comme l’étude du spectre électromagnétique d’une étoile peut nous donner des renseignements sur sa composition chimique, son champ magnétique et la pression régnant dans son atmosphère, les ondes gravitationnelles émises par des astres compacts réunis en systèmes binaires peuvent être très bavardes.

En l’occurrence, les chercheurs auraient déduit du spectre des ondes gravitationnelles que celles-ci auraient été émises par deux trous noirs stellaires initialement en orbite l'un autour de l'autre, avec des masses de 36 et 29 masses solaires. Perdant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, ces trous noirs ont fini par se rapprocher rapidement en décrivant des orbites en forme de spirale avant d’entrer en collision et de fusionner. Pendant un temps très court, l’objet formé était un trou noir dont l'horizon des événements était particulièrement « bosselé » et dynamique. Or, la théorie des trous noirs nous dit qu’un tel astre ne peut rester longtemps dans cet état car il doit très rapidement adopter la forme d’un trou noir stationnaire, à savoir un trou noir de Kerr en rotation. Pour cela, l’horizon des événements doit vibrer à la façon d’une cloche frappée (on parle de modes quasi-normaux et de phase de ringdown pour décrire ce phénomène) pour perdre à son tour de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles et devenir parfaitement sphérique.

Au final, une masse équivalente à trois fois celle du Soleil aurait été convertie en rayonnement gravitationnel pur en moins d'une seconde, laissant donc un trou noir de 62 masses solaires. Comment se représenter une telle énergie ? C'est vraiment difficile. Par comparaison, la puissance rayonnée par la Terre autour du Soleil sous forme d'ondes gravitationnelles est de seulement 200 watts environ. Notre Soleil, qui convertit une toute petite fraction de sa masse en énergie lumineuse, produit ainsi 1026 watts. Le phénomène dont nous parlons ici aurait donc libéré en un instant trois fois la quantité totale d'énergie représentée par sa masse de 1030 kg, selon la formule E=mc2.

L'ère de l'astronomie gravitationnelle

Si Ligo a bien fait cette observation, une ère nouvelle pour l'astronomie et l'astrophysique vient de s'ouvrir. Le rayonnement gravitationnel est le plus pénétrant de l'Univers et il peut donc fournir des renseignements impossibles à obtenir autrement sur des phases très primitives du cosmos. Il permet aussi d'explorer la physique des étoiles à neutrons et des trous noirs. Si l'on en croit Clifford Burgess, le signal observé est clairement celui que l'on attend si l'espace-temps associé à un trou noir en rotation est bien celui d'un trou noir de Kerr. Il s'agit donc d'un test non trivial de la théorie de la relativité générale et de la théorie des trous noirs telle qu'elle a été élaborée dans les années 1950 à 1970 par des pionniers comme John Wheeler et Stephen Hawking.

Il y a gros à parier aussi que l'on connaît déjà les noms des prix Nobel de physique pour 2016 ou pour le moins 2017. Les physiciens Rainer Weiss, Ronald Drever ont en effet fait équipe pour cofonder Ligo en 1992 avec le grand physicien relativiste Kip Thorne, à l'origine de la science derrière le scénario d'Interstellar (voir à ce sujets les commentaires de Jean-Pierre Luminet sur son blog).


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