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Toute la lumière sur l'onde gravitationnelle avec Jean-Pierre Luminet

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

Et de deux ! L'interféromètre Ligo, aux États-Unis, a une nouvelle fois détecter le passage d'une onde gravitationnelle (en fait en décembre 2015). Les membres des collaborations Ligo et Virgo ont bel et bien ouvert une nouvelle ère de l'astronomie. Mais quelle est la nature de cette nouvelle « lumière » ? (Re)découvrez les explications de Jean-Pierre Luminet publiées sur son blog Luminesciences.

Ligo, l'acronyme de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en anglais, nous a permis de détecter l'onde gravitationnelle produite par la collision puis la fusion de deux trous noirs d'environ 30 masses solaires chacun. Mais à quoi aurait ressemblé visuellement l'événement pour des observateur à quelques milliers de kilomètres ? Des simulations numériques nous permettent de le découvrir. L'image ci-dessus, avec des effets de lentille gravitationnelle, est extraite de l'une d'elles. © SXS (Simulating eXtreme Spacetimes project)

Les membres des collaborations Ligo et Virgo viennent à nouveau, en quelque sorte, de fêter dignement le centenaire de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. En février 2016, ces scientifiques avaient produit une salve de publications sur arXiv sur GW150914 par les interféromètres Ligo. Ce sigle énigmatique désigne la détection de la « lumière gravitationnelle » (gravitational wave), le 14 septembre 2015 (d'où le 150914), émise à environ 1,3 milliard d'années-lumière par lors de la fusion de deux trous noirs massifs (environ 30 masses solaires chacun). Ces équipes ont annoncé ce mercredi 15 juin 2016 la détection d'un deuxième signal similaire, baptisé GW151226, détecté, comme son nom l'indique, 26 décembre 2015, émis à 1,4 milliard d'années-lumière de la Terre (lire notre article sur cette nouvelle fusion de trous noirs).

Mais quelle est donc la nature de cette lumière gravitationnelle, dont des chercheurs comme Pierre Binétruy nous assurent qu'elle va nous révéler des secrets sur les trous noirs et le Big Bang ? Et comment la détecte-t-on ?

Jean-Pierre Luminet, grand spécialiste de la relativité générale, des trous noirs et de la cosmologie relativiste et collaborateur du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine Du Big Bang au Vivant, consacre plusieurs billets aux réponses à ces questions sur le blog Luminesciences qu'a mis à sa disposition Futura-Sciences. Ils sont inspirés des chapitres du livre qu'il a consacré à l'univers relativiste d'Einstein : Le destin de l’univers : trous noirs et énergie sombre.

Voici le début de quelques-uns de ces billets avec des liens pour en poursuivre la lecture.

La « lumière gravitationnelle »

Je voudrais poser une question à monsieur Einstein, à savoir : dans votre théorie, à quelle vitesse l'action de la gravitation se propage-t-elle ?
Max Born, 1913

Dans la théorie de Newton, la gravitation est une force agissant instantanément entre les corps massifs. Cette idée était inadmissible aux yeux de nombreux physiciens, Newton compris, et un siècle plus tard Laplace proposait une modification de la théorie dans laquelle l'interaction gravitationnelle se propageait à vitesse finie. L'idée fut vite abandonnée car elle soulevait immédiatement une question à laquelle personne ne savait répondre : lorsqu'un corps massif est violemment perturbé, le champ gravitationnel qu'il engendre doit s'ajuster de proche en proche à la nouvelle configuration du corps ; sous quelle forme se propage ce réajustement ?

La théorie de la relativité générale d'Einstein permet d'organiser en un schéma cohérent les intuitions sur la propagation de la gravitation. Einstein s'était demandé si une masse en mouvement accéléré pouvait rayonner des ondes de gravité, de la même façon qu'une charge électrique en mouvement accéléré rayonne des ondes électromagnétiques. Dès 1916, il découvrit effectivement des solutions de ses équations du champ gravitationnel représentant des ondulations de la courbure de l'espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière. Il venait d'inventer la « lumière gravitationnelle ».

Good vibrations

Et quel vent d'outre-monde emporte au gré des ondes la promesse de toutes les germinations ?
Charles Dobzynski

L'analogie entre ondes gravitationnelles et ondes électromagnétiques est utile pour la conception du phénomène, mais elle ne conduit guère plus loin. La structure d'une onde gravitationnelle et ses effets sur la matière sont bien plus complexes que ceux de l'onde électromagnétique. Une première différence notable vient du fait que la gravitation est purement attractive ; la masse, c'est-à-dire la « charge gravitationnelle », a toujours le même signe.

Il en résulte qu'un oscillateur gravitationnel élémentaire, constitué de deux masses vibrant aux extrémités d'un ressort, ne rayonne pas le même type d'ondes que deux charges électriques de signe opposé. Dans le cas électromagnétique, le rayonnement est du type dipolaire, dans le cas gravitationnel il est du type quadripolaire.

Pour lire la suite cliquez sur le lien ci-dessous :

Au début de cette vidéo expliquant les accomplissements de la collaboration Ligo, on peut écouter dans la bande sonore la forme du signal de l'onde gravitationnelle détectée. 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 » © caltech

Nouvelles lucarnes

Un mot, un seul mot, suffit à perturber l'espace.
Jean-Marc Debenedetti

Pour capter la lumière, il faut des télescopes. Comment concevoir un télescope gravitationnel ? Le principe est simple. De même que les ondes électromagnétiques font vibrer une antenne réceptrice, les ondes gravitationnelles font vibrer d'une certaine façon la matière qu'elles rencontrent ; les « rides de courbure » faisant légèrement onduler le tissu élastique de l'espace-temps allongent ou raccourcissent les distances sur leur passage. Si, par exemple, le détecteur est un bloc de matière solide, ses différentes parties sont enclines à se mouvoir dans différentes directions à la traversée de l'onde gravitationnelle. Remarquons que, en raison de la traversée permanente d'ondes gravitationnelles, aucun corps matériel, aussi rigide soit-il, n'est strictement indéformable.

Une collision de deux trous noirs stellaires au centre de la Galaxie se traduirait par un déplacement de 10-14 millimètre des extrémités d'un détecteur ayant la forme d'une barre de 1 mètre de long. L'amplitude correspondante, qui est le rapport entre le déplacement et la taille du détecteur, est donc de 10-17. Le même phénomène se déroulant dans l'amas de galaxies de la Vierge, à 60 millions d'années-lumière, ne nous offrirait plus qu'une amplitude de 10-20.

À titre de comparaison, lorsqu'une onde gravitationnelle de cette nature traverse notre planète, elle ne fait varier le diamètre du Globe (12.700 kilomètres) que de la largeur d'un atome. La construction d'un détecteur d'ondes gravitationnelles est donc un véritable défi technologique.

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Interview : un trou noir pourrait-il entrer en collision avec la Terre ?  Un trou noir est une région de l’espace dont rien ne peut s'échapper, pas même la lumière. Il est donc naturel de se demander si ce type d’objet pourrait être une menace pour notre planète. Futura-Sciences a interviewé Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renom, qui nous répond ici en vidéo. 

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