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Advanced Ligo devrait détecter des ondes gravitationnelles avant 2020

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Si les ondes gravitationnelles du Big Bang ne semblent pas facile à détecter, les physiciens auront peut-être plus de chance avec les ondes gravitationnelles issues de sources astronomiques. Une nouvelle génération de détecteurs s'apprête en effet à entrer en service. Advanced Ligo, aux États-Unis, devrait ainsi bientôt observer et mesurer les signaux émis par des collisions d'astres compacts comme les trous noirs et les étoiles à neutrons.

Des travaux sont actuellement en cours pour permettre la construction d'Advanced Ligo. L'interféromètre devrait partir à la chasse aux ondes gravitationnelles cette année. © MIT

Le LHC va bientôt repartir à la chasse aux secrets du boson de Brout-Englert-Higgs. Le grand collisionneur de hadrons et ses détecteurs géants, qui constituent probablement la machine la plus complexe de toute l'histoire de l'humanité, ont été modifiés et améliorés pour permettre de faire des expériences avec des faisceaux de particules plus lumineux et plus énergétiques. Il devrait pouvoir s'y produire des collisions à 13 TeV (téraélectronvolts) dans un premier temps puis à 14 TeV.

Il existe une autre machine géante que les physiciens sont en train de mettre à jour et qui va repartir cette même année 2015 à une autre chasse, celle des ondes gravitationnelles. Il s'agit d'Advanced Ligo, aux États-Unis (Ligo est l'acronyme de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en anglais). La machine existe en fait en deux exemplaires, l'un situé à Livingston (Louisiane) et l'autre à Hanford (Washington).

Une partie de la communauté des physiciens des hautes énergies est devenue un peu sceptique quant à la possibilité de découvrir une nouvelle physique dans les quelques années qui viennent avec le LHC. Leurs collègues, les astrophysiciens relativistes, semblent en revanche bien plus optimistes en ce qui concerne le début de l'astronomie gravitationnelle. Celle-ci devrait se développer avec Advanced Ligo et les autres détecteurs d'ondes gravitationnelles également en cours d'amélioration de par le monde, tel Advanced Virgo en Europe. Certains considèrent même comme presque garantie l'observation directe de ces ondes avant 2020.

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

Des ondes pour percer les mystères des astres compacts

Si un tel événement arrivait en 2018, il y aurait de quoi sourire face à cet étonnant hasard du calendrier. En effet, la fin de l'année 2015 marquera le centenaire de la publication par Albert Einstein de la forme finale de sa théorie de la relativité générale. Or, c'est en 1918 que le célèbre physicien a finalement réussi à en déduire qu'il devait exister l'analogue des ondes électromagnétiques avec les modifications dynamiques de la courbure du tissu élastique de l'espace-temps impliquées par sa théorie.

Si les calculs et les raisonnements d'Einstein concernant ces ondes vont générer quelques débats sur leurs bien-fondés jusqu'au début des années 1960 (Einstein lui-même les mettra en doute temporairement en 1936), la cause reste aujourd'hui entendue. L'astronomie gravitationnelle est en effet développée théoriquement et expérimentalement depuis des décennies. En 1974, la découverte d'un pulsar binaire par Hulse et Taylor a d'ailleurs permis de démontrer indirectement pour la première fois l'existence de ces ondes. Mais les astrophysiciens relativistes, voudraient surtout observer et mesurer directement ces ondes. Elles nous donneraient des renseignements précieux sur la physique des étoiles à neutrons, la théorie des trous noirs et même la cosmologie primordiale.

De la même façon que le spectre de lumière des étoiles et la variation de leurs courbes de luminosité nous permettent de faire l'analyse chimique de leur atmosphère et de sonder leur intérieur avec l'astérosismologie, l'analyse du signal gravitationnel émis par des collisions d'étoiles à neutrons et de trous noirs devrait être bavarde sur les propriétés des astres compacts.

Malheureusement, si les ondes gravitationnelles sont très pénétrantes, elles sont aussi d'une très faible intensité. Sauf quand elles sont émises par des objets très massifs et très denses. Mais, même lorsqu'il s'agit de la collision de deux étoiles à neutrons dont les masses individuelles sont égales à celle de Chandrasekhar, leur détection reste un défi lorsque l'on se trouve à des millions d'années-lumière de ces sources particulièrement intenses. Or, ce sont précisément ces sources que l'on peut espérer détecter car de tels événements, des collisions d'étoiles à neutrons ou de trous noirs binaires, sont rares à l'échelle des galaxies. De sortes qu'il faut pouvoir être sensible à des signaux émis à des centaines de millions d'années-lumière pour espérer observer plusieurs de ces événements chaque année.

Le physicien Rainer Weiss a été le premier aux États-Unis à prendre au sérieux l'idée de détecter des ondes gravitationnelles avec un interféromètre utilisant un laser. Ses travaux sur le sujet n'ont pas été pris au sérieux pendant des années par le grand physicien relativiste Kip Thorne du Caltech. Ce dernier a fini par changer d'avis et a cofondé Ligo en 1992 en compagnie de Weiss et Ronald Drever, du MIT, les concepteurs principaux de l'appareil. Plusieurs membres de Ligo évoquent la chasse aux ondes gravitationnelles dans cette vidéo. 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 Bulletins

Des distances mille fois plus petites qu'un noyau d'atome

Le taux exact de ces catastrophes cosmiques étant difficile à évaluer, les estimations les plus optimistes permettaient de penser que les premières versions des machines que sont Ligo et Virgo pouvaient permettre d'ouvrir l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Rappelons que ces télescopes d'un genre particulier sont des interféromètres géants utilisant des faisceaux laser. En effet, lorsqu'une onde gravitationnelle issue d'une collision d'astres compacts atteint l'instrument, elle en fait varier la longueur d'environ 10-18 mètre, c'est-à-dire un millième de la taille d'un noyau d'atome. Mesurer un tel déplacement revient à mesurer la taille de la Galaxie avec une précision de 3 centimètres. Il faut donc avoir recours à une métrologie de très haute précision pour détecter cette infime variation. Les lasers s'imposent pour atteindre ce but.

Le principe de cette détection, expliqué dans la vidéo ci-dessus, est simple même si celle-ci très difficile à mettre en pratique. Le physicien et spécialiste des lasers états-uniens Rainer Weiss a été l'un des premiers à en avoir l'idée lorsqu'il était professeur de relativité générale au MIT en 1972. Comme ce fut souvent le cas, des chercheurs russes (M.E. Gertsenshtein et V.I. Pustovoit en 1962) avaient eu une idée similaire des années auparavant. Mais le rideau de fer avait empêché leurs travaux d'être connus à l'Ouest.

Un faisceau laser est séparé en deux, chacun parcourant alors plusieurs kilomètres dans des tubes sous vide perpendiculaires entre eux. Tombant sur des miroirs, ces faisceaux sont réfléchis et font le chemin inverse pour former des interférences. Au passage d'une onde gravitationnelle, les longueurs parcourues par les deux faisceaux laser ne sont plus les mêmes et le phénomène d'interférence en est modifié. Il existe malheureusement de nombreuses sources de bruits, en particulier le bruit sismique, qui affectent les mesures à différentes fréquences et qui peuvent simuler le passage d'une telle onde. Pour le bruit sismique, la parade consiste à disposer de plusieurs détecteurs éloignés les uns des autres, ce qui permet d'isoler dans le signal observé la partie provenant de l'activité de la Terre.

Le super amas de la Vierge (Virgo supercluster) est le super amas de galaxies qui contient notre Voie lactée et l'amas de galaxie de la Vierge. Son diamètre est d'environ 110 millions d'années-lumière. C'est dans cette zone (visible au centre de l'image) que Ligo et Virgo étaient initialement en mesure de détecter des sources d'ondes gravitationnelles. Advanced Ligo sondera à terme un volume bien plus grand comme on peut s'en rendre compte sur ce schéma. © Grullon, Science

Ligo et Virgo n'ont rien vu, ce qui a poussé les physiciens et les ingénieurs à augmenter la sensibilité de leurs détecteurs pour explorer un plus grand volume d'espace-temps et donc augmenter le nombres de sources détectables chaque année. Ligo aurait pu permettre de détecter les ondes émises par deux étoiles à neutrons décrivant des orbites en spirales avant d'entrer en collision à une distance d'environ 50 millions d'années-lumière. Advanced Ligo devrait permettre à terme de détecter ce genre d'événement à plusieurs centaines de millions d'années-lumière et plus d'un milliard d'années-lumière pour des collisions de trous noirs. Une dizaine de ces événements pourraient être détectés chaque année. Il n'y a plus qu'à être patient et à croiser les doigts...