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Exclusif : Pierre Binétruy explique la traque des ondes gravitationnelles

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

Parmi les dénominateurs communs entre la théorie du Big Bang et celle des trous noirs figurent les ondes gravitationnelles prédites par Albert Einstein il y a 100 ans. Pour comprendre l'importance de leur détection et de leur étude directe, Futura-Sciences s'est tourné vers le physicien théoricien Pierre Binétruy. Il est impliqué dans la chasse à ces ondes via le projet eLisa de l'Agence spatiale européenne, destiné à les observer depuis l'espace. Voici la première partie de son interview.

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

Pour prendre la mesure de ce que représentera dans un futur proche l'astronomie gravitationnelle, en particulier avec eLisa (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), Futura-Science s'est tourné vers un des chercheurs français impliqués dans ce projet européen. Pierre Binétruy, professeur à l'université Paris Diderot, a été directeur du laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC), à Paris, depuis sa création en 2006 jusqu'en 2013.

Pierre Binétruy est notamment connu du public pour un cours sur la gravité qu'il donne avec la participation du cosmologiste et prix Nobel de physique 2006 George F. Smoot, également professeur à Paris-Diderot et membre, tout comme Pierre Binétruy, du Paris Centre for Cosmological Physics. Il s'agit d'un Mooc intitulé Gravité ! Du Big Bang aux trous noirs, sur la plateforme France Université Numérique (FUN).

Futura-Sciences : Vous avez commencé votre carrière en publiant avec des grands noms de la physique des particules associés aux théories de la supersymétrie, comme Pierre Ramond et Mary Gaillard, notamment sur des questions de supergravité et de phénoménologie des supercordes. Comment en êtes-vous arrivé à la chasse aux ondes gravitationnelles ?

Pierre Binétruy : Il y a deux raisons à cela. La première est que certains de mes travaux portaient sur l'univers primordial et donc aussi la cosmologie relativiste. Il s'agissait par exemple de comprendre l'origine de l'inflation, dont on espère obtenir un jour une preuve définitive en détectant la présence des ondes gravitationnelles qu'elle a dû engendrer. Elles devraient avoir laissé des traces sous la forme des fameux modes B dans le rayonnement fossile.

Par ailleurs, quand est arrivée la seconde révolution des supercordes, dans les années 1990, ainsi que le fameux modèle de Randall-Sundrum, je me suis tout naturellement aussi intéressé aux cosmologies branaires qui en découlaient. Elles postulent que notre espace-temps à quatre dimensions est en fait l'équivalent d'une membrane à trois dimensions flottant dans un univers multidimensionnel. Il y aurait donc des dimensions spatiales supplémentaires et cela conduit à des prédictions potentiellement observables.

La deuxième raison est qu'au moment où nous avons fondé et démarré l'APC, mes collègues et moi, nous réfléchissions à des projets importants qui mobiliseraient le laboratoire sur le long terme, à savoir des dizaines d'années. Il est rapidement apparu que l'astronomie gravitationnelle était un futur tant pour la cosmologie que pour l'astrophysique des hautes énergies qui étudie les trous noirs. Et, par ailleurs, les laboratoires français étaient encore peu impliqués dans le projet eLisa. C'était un projet fédérateur, dans lequel je me suis personnellement impliqué.

Pour quelles raisons avez-vous écrit un livre sur la traque des ondes gravitationnelles avec eLisa ?

Pierre Binétruy : Il s'agit d'un projet ambitieux qui devrait voir le jour à l'horizon 2030. Son coût est évalué à entre un et demi et deux milliards d'euros et il est normal que le grand public comprenne ce qui est en jeu et puisse même participer à cette grande aventure. Je voulais aussi qu'il réalise que derrière des sujets aussi fascinants que le Big Bang, les trous noirs, l'énergie sombre et même la matière sombre, il y a un fil conducteur qui les réunit tous : la gravité, avec notamment la théorie de la relativité générale d’Einstein dont on a fêté le centenaire l'année dernière.

En vue de préparer le Mooc Gravité ! Du Big Bang aux trous noirs, j'ai donc commencé à écrire un ouvrage montrant ce fil conducteur et finalement pourquoi il était si important de développer l'astronomie gravitationnelle. Le résultat a été le livre que j'ai publié chez Dunod intitulé À la poursuite des ondes gravitationnelles. Mais le livre se lit indépendamment du cours, et vice versa. Les deux approches sont complémentaires, et peuvent s'enrichir mutuellement.

Un survol d'un des interféromètres de la collaboration Ligo et quelques explications sur le principe de la détection des ondes gravitationnelles. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK » © Science Magazine, YouTube

Cette chasse aux ondes gravitationnelles semble prendre un tournant important, car Advanced Ligo aurait détecté au moins un signal provenant de la coalescence de deux trous noirs stellaires. Pourquoi faut-il prendre cette découverte potentielle au sérieux ?

Pierre Binétruy : Les ondes gravitationnelles que l'on peut mesurer sur Terre font varier les distances dans l'espace comme le ferait une onde dans un milieu élastique. Mais on parle là de variations de distances extrêmement faibles.

Il faut une métrologie de très haute précision, utilisant l'interférence de rayons laser se propageant sur de grandes distances. Ces rayons laser se propagent dans deux tubes à vide perpendiculaires, longs de 4 km, se réfléchissent aux extrémités sur des miroirs pour revenir au point de départ où ils interfèrent. Ceci constitue ce qu'on appelle un interféromètre de Michelson.

En faisant rebondir plusieurs fois ces rayons laser dans des cavités dites de Fabry-Pérot, tout se passe comme si l'on mesurait des variations de longueur sur un trajet d'environ 1.600 km. Cela reste très difficile à réaliser et il faut s'assurer qu'il n'y a pas de bruits parasites, comme des ondes sismiques, et que l'on comprend très bien ce qui se passe dans l'interféromètre. Celui-ci pourrait par construction même fausser les mesures. Ce serait un biais expérimental.

Pour parer à ces inconvénients, on doit construire au moins deux machines distantes. C'est une procédure standard en physique et c'est d'ailleurs pourquoi on a chassé le boson de Brout-Englert-Higgs au LHC avec deux détecteurs, Atlas et CMS. On est dans la même situation ici avec deux interféromètres Ligo, dont l'un se trouve à Hanford, dans le sud de l'État de Washington, et l'autre à plus de 3.000 km de là, près de Livingston, en Louisiane.

Une des raisons pour lesquelles les membres de la collaboration Advanced Ligo (aidés dans leurs analyses par les physiciens de Virgo) sont confiants dans leur découverte est donc qu'ils ont dû détecter dans les deux machines le même signal caractéristique, en l'occurrence celui que l'on s'attend à voir en raison des calculs (dont certains nécessitent des superordinateurs) menés pour décrire la collision et la fusion de deux trous noirs stellaires.

De gauche à droite, les deux interféromètres du projet Ligo, celui de Handford (LHO) et celui de Livingston (LLO). Au centre, leur localisation aux États-Unis. © Caltech/MIT/LIGO Lab

Pourquoi n’a-t-on pas déjà fait cette découverte avec Ligo ou avec Virgo, son équivalent européen ?

Pierre Binétruy : Ces détecteurs ne sont sensibles qu'à des ondes dans une certaine bande de fréquences. Elle correspond aux explosions asymétriques de supernovae et aux systèmes binaires contenant des étoiles à neutrons ou des trous noirs stellaires. Dans ce dernier cas, les fréquences des ondes sont directement reliées aux périodes des orbites des astres compacts. Au fur et à mesure que le système binaire perd de l'énergie, les deux astres se rapprochent et ils tournent plus vite : la fréquence augmente. Dans les dernières secondes avant la fusion, la fréquence entre dans la bande des sensibilité des détecteurs.

La majorité des étoiles dans les galaxies sont sous forme d'étoiles doubles et on sait estimer le nombre de systèmes binaires d'astres compacts (comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs) dans un volume d'espace de quelques dizaines de millions d'années-lumière. Mais il faut ensuite calculer la fraction de ceux qui entrent finalement en collision et sont donc susceptibles d'être détectés chaque année. Cependant, les incertitudes sur cette évaluation sont de l'ordre de 10 à 100.

Dans le cadre des hypothèses optimistes, Ligo et Virgo auraient pu détecter des émissions d'ondes gravitationnelles au début de leur exploitation pendant les années 2000. Cela n'a pas été le cas et il a donc fallu augmenter leur sensibilité. Le détecteur Ligo a réussi à redémarrer le premier en septembre de l'année dernière. Ligo pouvait sonder initialement une région dont le rayon était d'environ 65 millions d'années-lumière fin 2010. On est passé à présent à une région dont le rayon est de 225 millions d'années-lumière. À terme, il est prévu d'atteindre un rayon de 650 millions d'années-lumière : un progrès d'un facteur 10 en distance et donc un volume 1.000 fois plus important.

On pouvait raisonnablement prévoir qu'Advanced Ligo détecte des collisions entre astres compacts mais si l'on en croit les chiffres concernant la masse totale des deux trous noirs qui seraient entrés en collision, c'est une surprise car ils sont plus lourds que ce que l'on imaginait. Et donc le signal est probablement plus significatif par rapport au bruit de fond

Peut-on localiser la région de la voûte céleste où se serait produit cet événement, et en déterminer la distance ?

Pierre Binétruy : En théorie oui. Comme je l'explique dans mon livre, si l'on dispose de deux détecteurs éloignés on peut commencer à faire des estimations par triangulation sur la position d'une source d'ondes gravitationnelles. Trois détecteurs ou plus répartis autour de la Terre seraient une meilleure solution. C'est pour cela qu'on attend avec impatience la mise en route prochaine d'Advanced Virgo. Et Ligo propose d'installer l'un de ses détecteurs en Inde pour améliorer la couverture.

Dans le cas de la mission eLisa, on ne dispose que d'un détecteur, mais qui se déplace dans le ciel, étant en orbite autour du Soleil. On utilisera donc ses positions successives pour déterminer la position de la source dans le ciel. Mais ce ne sera bien sûr possible que pour des événements assez longs. Heureusement, eLisa attrapera le signal de binaires de trous noirs supermassifs quelques mois avant le plongeon final !

Dans tous les cas, les mesures de distance sont fortement améliorées si on observe en parallèle un signal électromagnétique. C'est pour cela qu'il sera intéressant de voir si les événements sont vus aussi par les télescopes au sol ou les missions spatiales en opération.

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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