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'énergies 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 Ligo, à Handford et à Livingston, aux États-Unis, le 14 septembre 2015. © Ligo, NSF, Aurore Simonnet

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Onde gravitationnelle

DéfinitionClassé sous :physique , onde gravitationnelle , relativité générale

Les ondes gravitationnelles sont des ondes se propageant dans le tissu élastique de l'espace-temps dont les déformations et la courbure sont gouvernées par les équations de la relativité générale.

Elles se propagent à la vitesse de la lumière en transportant de l'énergie. On peut les comparer à des déformations dans une sorte de gelée ou à la propagation des ondes à la surface de l'eau lorsqu'on y jette un caillou.

Les ondes gravitationnelles et la prédiction d'Albert Einstein

Ces ondes ont été prédites et décrites théoriquement par Albert Einstein de 1916 à 1918 par analogie avec l'émission et la propagation des ondes lumineuses dans un champ électromagnétique lorsque l'on agite une charge.

Un phénomène similaire devait se produire dans le champ de gravitation constitué par la courbure de l'espace-temps lorsque certaines configurations de masses sont animées de certains mouvements. Tout comme les ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles transportent de l'énergie, de la quantité de mouvement et du moment cinétique.

On a commencé à penser sérieusement à partir des années 1960 qu'il devait être possible de développer une astronomie gravitationnelle très prometteuse car les ondes gravitationnelles sont très pénétrantes et elles peuvent nous renseigner sur des phénomènes astrophysiques extrêmes que l'on trouve associés à des astres compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs mais aussi le Big Bang.

Les projets Ligo et Virgo

La découverte en 1974 d'un premier pulsar binaire par Russell Hulse et Joseph Taylor (prix Nobel 1993) a permis de démontrer indirectement l'existence de ces ondes mais il restait à construire des instruments capables de les détecter directement. C'est ainsi que sont nés les projets Ligo, aux États-Unis, et Virgo en Europe.

Des explications très complètes sur ce que sont les ondes gravitationnelles, comment on les chasse et ce qu'elles peuvent nous révéler sur l'univers sont disponibles dans plusieurs billets que Jean-Pierre Luminet a consacré à ce sujet sur son blog chez Futura-Sciences :

La détection des ondes gravitationnelles

Une nouvelle ère très prometteuse pour l'astronomie s'est ouverte le 14 septembre 2015, à 11 h 51, heure de Paris (9 h 51 TU), lorsque les deux interféromètres construits aux États-Unis et qui constituent le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo), ont bel et bien détecté directement le passage d'une onde gravitationnelle correspondant à la fusion de deux trous noirs de masses stellaires.

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.

La découverte des ondes gravitationnelles expliquée en une minute. © Ligo

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 Kip Thorne qui, avec ses collègues Rainer Weiss, professeur émérite de physique au Massachusetts Institute of Technology (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.

Les ondes gravitationnelles primordiales, ces ondes du Big Bang

Lors de la naissance de l'univers, l'espace-temps a dû vibrer et produire un fond d'ondes gravitationnelles aujourd'hui très faible et quasiment indétectable. Toutefois, une partie de ce fond a pu laisser des traces observables dans le rayonnement fossile du fait de la théorie de l'inflation - qui fait souvent intervenir au moins un champ scalaire analogue à celui du boson de Brout-Englert-Higgs (le terme d'« inflaton » est parfois utilisépour le désigner).

Cette théorie se décline selon une grande variété de modèles faisant intervenir de la nouvelle physique issue de différentes théories au-delà du modèle standard. Ces théories sont presque toujours liées à des énergies que le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) ne peut pas sonder. Cependant, il existe tout de même plusieurs prédictions génériques de ces modèles.

La prédiction la plus caractéristique, peut-être, de la théorie de l'inflation concerne des fluctuations quantiques dans la structure même du tissu de l'espace-temps qu'elles font vibrer. Elles se présentent sous forme d'ondes gravitationnelles. Ces fluctuations sont d'ordinaire si faibles et si microscopiques qu'elles sont inobservables. Toutefois, lors de l'inflation, l'expansion de l'espace aurait agi comme un gigantesque zoom agrandissant ces fluctuations quantiques et rendant ces ondes gravitationnelles visibles dans le rayonnement fossile à grande échelle sur la voûte céleste. On peut alors démontrer leur occurrence sous la forme d'une polarisation bien spécifique. Il semble très difficile d'expliquer la présence de cette polarisation autrement qu'en faisant intervenir une phase de dilatation énorme de l'espace, seule à même de faire passer des fluctuations de l'espace-temps du monde de la microphysique à celui de la macrophysique.

L'expérience Bicep2 a laissé penser un moment que l'on avait découvert cette polarisation sous la forme de ce que l'on appelle des modes B. Hélas, Planck a réfuté cette observation. On continue à traquer ces traces des ondes du Big Bang car leur découverte révolutionnerait la cosmologie et la physique.