Le prix Nobel de physique 2017 va aux physiciens Rainer Weiss, Kip S. Thorne et Barry C. Barish, les découvreurs des ondes gravitationnelles. Inspiral, merger, ringdown : ce sont les noms anglais des trois étapes qui ont conduit deux trous noirs à se rapprocher en décrivant une spirale suite à des pertes d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, puis à entrer en collision, pour finalement donner un seul trou noir. L'horizon des évènements de l'objet compact final a vibré, telle une cloche frappée, en émettant des ondes gravitationnelles. L'évènement a duré moins d'une seconde. Les courbes montrent les signaux détectés par les deux interféromètres de Ligo, à Hanford et à Livingston, aux États-Unis, le 14 septembre 2015. © Aurore Simonnet, Ligo, NSF

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Le prix Nobel de physique 2017 va aux découvreurs des ondes gravitationnelles d'Einstein

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Il y a deux ans, l'Homme détectait directement sur Terre, et pour la première fois, les ondes gravitationnelles de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Aujourd'hui, le prix Nobel de physique 2017 revient aux pionniers à l'origine de cette formidable découverte : les physiciens états-uniens Rainer Weiss, Kip S. Thorne et Barry C. Barish.

Ondes gravitationnelles : leur détection expliquée en une minute  Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures. 

Rappelons-nous : le 11 février 2016, les membres de la collaboration Ligo, aux États-Unis, et ceux de la collaboration Virgo, en Europe, annonçaient conjointement que le détecteur d'ondes gravitationnelles Ligo avait permis la première détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles se propageant dans la courbure de l'espace-temps.

Ces ondes avaient été prédites presque cent ans auparavant par Albert Einstein. Leur existence ne faisait en fait plus de doute depuis des décennies grâce à la découverte de certaines étoiles à neutrons et grâce aux calculs menés notamment par le physicien français Thibault Damour et ses collègues dans les années 1980.

Ces ondes avaient permis de rendre compte de la diminution annuelle de la période de l'orbite d'un pulsar binaire (PSR B1913+16), révélée et mesurée par les prix Nobel de physique Hulse et Taylor. Les deux astres perdaient de l'énergie en émettant des ondes gravitationnelles, ce qui faisait diminuer lentement, mais de plus en plus rapidement, la taille, et donc la période, de leur orbite. Il ne s'agissait que d'une signature indirecte, mais convaincante, de l'existence des ondes gravitationnelles.

Le prix Nobel de physique Kip Thorne nous parle de la découverte des ondes gravitationnelles à laquelle il a participé. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Caltech

La première détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles

La première détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles de la théorie de la relativité générale d'Einstein s'est ensuite produite le 14 septembre 2015 — d'où le nom de cet évènement : GW150914 (GW pour Gravitational Wave, en anglais). Son analyse conjointe par les membres de la collaboration Virgo et ceux de Ligo a montré que le signal provenait des derniers évènements survenant quand deux trous noirs de masse stellaire formant un couple binaire se rapprochent en suivant une spirale puis fusionnent en un seul astre compact.

Une partie de la masse totale des deux objets (ils contenaient chacun environ 30 fois la masse du Soleil) a été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l'énergie qu'un tel évènement représente, on peut imaginer que, si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée dans notre ciel en septembre 2015 aurait paru plus lumineuse que la pleine Lune ! Pourtant, l'évènement s'est produit à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Voie lactée...

Le prix Nobel de physique 2017 Rainer Weiss se souvient de la découverte des ondes gravitationnelles à laquelle il a participé. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © MIT

Weiss, Thorne et Barish : les lauréats du Nobel de physique 2017

Il était devenu tout de suite clair que les pionniers à l'origine de cette découverte extraordinaire allaient recevoir le prix Nobel de physique dans les années à venir. En effet, une nouvelle ère s'ouvrait alors pour l'astrophysique : celle de l'astronomie gravitationnelle, en liaison étroite avec la physique des trous noirs et des étoiles à neutrons.

En l'occurrence, beaucoup avaient à l'esprit les noms de Ronald Drever et Rainer Weiss, les deux physiciens expérimentateurs à l'origine de la conception du prototype du détecteur Ligo et, bien évidemment, celui de Kip Thorne, l'astrophysicien théoricien des trous noirs et des trous de ver d'Interstellar, qui s'est embarqué avec eux, au début des années 1970, dans la quête des ondes gravitationnelles, usant de tout son prestige, notamment en étudiant les caractéristiques des sources de ces ondes et leur forme, pour aider à concevoir au mieux le détecteur capable de les observer et de les analyser.

Les trois lauréats du prix Nobel de physique 2017. © LIGO Scientific Collaboration

Le physicien des particules Barry Barish les rejoindra au début des années 1990 pour prendre la tête de la collaboration regroupant de nombreux physiciens et ingénieurs. Ces derniers transformeront le prototype de Drever, Weiss et Thorne en la machine qui a désormais à son tableau de chasse quatre détections de fusions de trous noirsRonald Drever est malheureusement décédé entre-temps. C'est donc finalement sans surprise que le prix Nobel de physique 2017 vient d'être décerné à Barish, Thorne et Weiss.

Comme les physiciens français Alain Brillet et Thibault Damour ont, eux aussi, joué un rôle important dans l'aventure, il est très probable que l'un des tout prochains prix Nobel de physique leur soit également attribué. On prend le pari pour 2018 ?

Le prix Nobel de physique Barry Barish nous parle de la découverte des ondes gravitationnelles. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Caltech

Pour en savoir plus

Ondes gravitationnelles : Einstein triomphe à nouveau !

Article de Laurent Sacco publié le 11/02/2016

Depuis les années 1960, l'existence des ondes gravitationnelles prédite par Albert Einstein en 1916 ne faisait guère de doute pour les théoriciens. Elles viennent finalement d'être mise en évidence d'une façon spectaculaire grâce au détecteur Ligo. Cerise sur le gâteau, elles ont été émises par la fusion de deux trous noirs.

C'est comme si l'univers avait voulu fêter le centenaire de la découverte de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein en novembre 1915. Les membres des collaborations Ligo et Virgo viennent en effet de faire savoir qu'ils ont cosigné un article dans lequel ils mettent fin au suspens qui durait depuis quelques mois, alimenté par des rumeurs de détection directe des ondes gravitationnelles.

Le 14 septembre 2015, à 11 h 51, heure de Paris (9 h 51 TU), les deux interféromètres construits aux États-Unis et qui constituent le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo), ont bel et bien détecté le passage d'une onde gravitationnelle correspondant à la fusion de deux trous noirs de masses stellaires, conformément à ce que laissaient entendre les rumeurs depuis quelques semaines.

Les deux astres compacts qui sont entrés en collision avant de ne plus faire qu'un seul trou noir contenaient respectivement 29 et 36 masses solaires, selon les analyses du signal observé. Bien qu'il n'ait pas été possible de situer précisément la région de la voûte céleste où s'est produit cet événement cataclysmique, on sait déjà qu'elle se trouve dans l'hémisphère sud. On sait aussi que la collision s'est produite à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Voie lactée.

C'est vraiment une surprise car on ne s'attendait pas à détecter un événement aussi lointain avec Ligo. Mais les masses des deux trous noirs étaient suffisantes pour produire un signal détectable sur Terre.

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

Un évènement 50 fois plus lumineux que l'univers observable

Le grand spécialiste des ondes gravitationnelles Kip Thorne, qui occupe la chaire Richard P. Feynman, de professeur de physique théorique émérite à Caltech, a déclaré que le phénomène, qui a converti l'équivalent de trois masses solaires en « lumière gravitationnelle » était, dans cette forme de rayonnement liée aux vibrations du tissu de l'espace-temps, 50 fois plus lumineux que l'ensemble des étoiles de l'univers observable.

C'est un formidable succès pour Thorne qui, avec ses collègues Rainer Weiss, professeur émérite de physique au MIT, et Ronald Drever, professeur de physique émérite à Caltech, a lancé l'impulsion qui a conduit au projet Ligo. Succès que les trois hommes partagent évidemment avec les très nombreux ingénieurs et physiciens qui sont embarqués depuis des décennies dans la conception et la construction des observatoires gravitationnels que sont Ligo aux États-Unis et Virgo en Europe, comme l'explique un communiqué du CNRS.

Une nouvelle ère très prometteuse pour l'astronomie s'est donc ouverte. Nous aurons l'occasion d'y revenir plus en profondeur, notamment avec une interview de Pierre Binétruy. Vous pouvez consulter aussi les explications et les commentaires de Jean-Pierre Luminet et d'Aurélien Barrau sur leurs blogs chez Futura :