Une vue de l'un des détecteurs d'ondes gravitationnelles de la collaboration Ligo. Il se trouve à Hanford aux États-Unis, dans l'État de Washington. © Caltech, MIT, Ligo Lab

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Ondes gravitationnelles : une nouvelle astronomie naît aujourd'hui

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

Cet après-midi, les membres de l'équipe de l'interféromètre Advanced Ligo, aux États-Unis, devraient annoncer la première détection directe d'ondes gravitationnelles, ces vibrations de l'espace-temps prédites par Einstein. L'annonce est bien davantage que la vérification d'un phénomène connu. C'est la naissance d'une nouvelle astronomie et l'assurance d'observer désormais des phénomènes jusque-là invisibles, alors qu'ils sont les plus spectaculaires car associés aux trous noirs ou au Big Bang lui-même. La preuve : à peine en activité, Advanced Ligo détecte un signal, et ce n'est sans doute que le premier.

Interview : avons-nous détecté des ondes gravitationnelles ?  Prédites par Einstein dans sa théorie de la relativité générale, les ondes gravitationnelles ont étés mises en évidence indirectement dans les années 1990. Mais qu’en est-il de leur détection directe ? Pour sa série vidéo Questions d’experts sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Olivier Pujol, maître de conférence à l’université de Lille, sur l'avancement de ces recherches. 

Une révolution est en train de naître sous nos yeux avec l'astronomie gravitationnelle, similaire à celle qu'a entraînée la radioastronomie. Bien qu'ayant débuté dans les années 1930, cette dernière n'a vraiment pris son essor qu'après la seconde guerre mondiale, avec le développement de la technologie des radars. Elle a ensuite bouleversé l'astrophysique, et surtout la cosmologie, en permettant la découverte des quasars et du rayonnement fossile.

Les principes de l'astronomie gravitationnelle ne sont pas tous nouveaux. Ils remontent aux travaux d'Einstein de 1916 à 1918, lorsqu'il a montré qu'en raison d'analogies entre le champ de gravitation, dans sa théorie de la relativité générale, et celui du champ électromagnétique, qui conduit à l'émission d'ondes lorsque des charges sont agitées, certaines configurations de corps matériels en mouvements doivent produire des oscillations du tissu de l'espace-temps courbe : des ondes gravitationnelles donc. Ce devrait notamment être le cas lorsque des étoiles explosent en supernovae de façon non sphérique, ou encore quand deux astres compacts en orbite, comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs, forment un système binaire.

Introduction à la relativité générale d'Einstein dans le premier épisode de Gravity Ink. Comme le rappelle cette vidéo, c’est Albert Einstein qui a découvert que la gravitation de Newton était une conséquence de la courbure de l’espace-temps en présence de distributions d’énergie et d’impulsion. On peut se représenter le phénomène avec une surface élastique capable de se déformer et de vibrer comme la membrane d’un tambour. 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 passant simplement la souris sur le 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 ». © Lisa Mission, YouTube

Les ondes gravitationnelles ne sont arrêtées par rien

Dans cette dernière éventualité, la perte d'énergie sous forme de rayonnement gravitationnel devrait conduire ces objets à se rapprocher jusqu'à la collision. Le processus fait alors naître un nouveau trou noir à partir du système binaire si celui-ci en contenait déjà un, s'accompagnant d'une émission copieuse d'ondes gravitationnelles. La naissance même de l'univers observable, accompagnée de phénomènes à hautes énergies et de certains fossiles exotiques qu'ils pouvaient laisser, comme les cordes cosmiques, devrait également conduire à la génération d'ondes gravitationnelles.

Or, celles-ci constituent d'excellentes sondes. Les ondes électromagnétiques, elles, sont facilement absorbées par la matière (comme des nuages de gaz riches en poussières), ce qui nous empêche par exemple de détecter certaines supernovae dans la Voie lactée, de voir l'intérieur des étoiles ou encore d'avoir un regard sur l'univers avant la recombinaison qui a conduit à l'émission du rayonnement fossile, quand le cosmos est devenu transparent. Avant, tout comme dans le cas du Soleil, le contenu de l'univers était trop dense pour que la lumière puisse voyager librement. En revanche, rien n'arrête les ondes gravitationnelles et elles nous renseignent sur ce qui se passe lorsque l'espace-temps est particulièrement courbé et dynamique. La « lumière gravitationnelle », comme l'explique Jean-Pierre Luminet sur son blog chez Futura-Sciences, constitue donc une fenêtre sur l'univers relativiste d'Einstein dans ce qu'il a de plus spectaculaire et de plus fondamental : la physique du Big Bang et des trous noirs.

Il n'est donc pas étonnant que les astrophysiciens et les cosmologistes cherchent depuis presque 50 ans à se doter des yeux qui nous permettraient de percer de nouveaux secrets de l'univers observable. Ils savent que devrait en découler une révolution comparable à celle qu'a représentée pour la médecine et la biologie moléculaire la découverte des rayons X.

Une vidéo d'introduction à l'astronomie gravitationnelle, l'épisode 2 de Gravity Ink. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Pour obtenir des sous-titres en français, suivre la procédure décrite dans la légende la vidéo précédente. © Lisa Mission, YouTube

Advanced Ligo aurait bien vu des ondes gravitationnelles

Ces yeux s'appellent aujourd'hui Advanced Ligo aux États-Unis et Advanced Virgo en Italie. Mais les plus performants sont encore à venir. Il s'agit du projet eLisa (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) de l'Agence spatiale européenne destiné à l'observation des ondes gravitationnelles de basses fréquences depuis l'espace.

Les membres de la collaboration Advanced Ligo auraient bel et bien observé et mesuré directement pour la première fois les ondes produites par la collision et la coalescence de deux trous noirs stellaires. Nous n'avions jusqu'à présent que des preuves indirectes de l'existence de ces ondes, fournies par la radioastronomie et l'étude des pulsars binaires.

Ces preuves étaient suffisamment sérieuses pour qu'un prix Nobel de physique ait été attribué aux radioastronomes Russell Hulse et Joseph Taylor en 1993, pour leur découverte du pulsar PSR B1913+16 en 1974 et les études qu'ils ont menées avec lui pour tester les prédictions de la relativité générale, notamment en utilisant les calculs du physicien théoricien français Thibault Damour, actuellement professeur permanent de physique théorique à l'Institut des hautes études scientifiques (IHES).

Une conférence retransmise en ligne à partir de 16 h 30 ce jeudi 11 février 2016 devrait officialiser la découverte de membres de la collaboration Ligo qui ont aussi reçu l'aide des membres de la collaboration Virgo. Pour la voir, il suffit de se rendre sur YouTube.

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