Pierre Binétruy au tableau noir, expliquant l'intérêt d'une source particulièrement fascinante d'ondes gravitationnelles, un astre , étoile à neutrons ou trou noir stellaire, sur le point de fusionner avec un trou noir supermassif. © dars et papillault

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Après le décès de Pierre Binétruy, la traque des ondes gravitationnelles continue

ActualitéClassé sous :Astronomie , onde gravitationnelle , Pierre Binétruy

Début mai 2018, des collègues et amis du grand physicien français Pierre Binétruy, comme Mary K. Gaillard, Gabriele Veneziano et le prix Nobel de physique George Smoot, se sont réunis pendant deux jours pour honorer sa mémoire avec de nombreuses conférences. Figure marquante dans le domaine des astroparticules et des recherches sur les théories supersymétriques, Pierre Binétruy s'était fortement impliqué dans la chasse aux ondes gravitationnelles en France et dans la vulgarisation de la physique qu'elles impliquent, celle des trous noirs et de la relativité générale d'Einstein.

Interview : comment mesurer les ondes gravitationnelles ?  Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par Einstein. Il serait possible de les mesurer avec des outils appropriés. L’éditeur littéraire Dunod a interviewé Pierre Binétruy, professeur au laboratoire Astroparticule et Cosmologie de l'université Paris Diderot, afin d’en savoir plus sur ces mystérieuses ondes et sur la façon dont on pourrait les détecter. 

Du 3 au 4 mai 2018, plusieurs grands noms de la physique des particules et de la cosmologie se sont retrouvés pour rendre hommage au physicien Pierre Binétruy, mondialement célèbre dans le domaine de la physique des hautes énergies et des astroparticules. Le grand public le connaît sans doute avant tout pour le Mooc Gravité! Du big bang aux trous noirs qu'il a animé conjointement avec l'un des lauréats du prix Nobel de physique 2006, George Smoot, l'un des architectes de la célèbre mission menée par le satellite Cobe. Elle avait ouvert l'étude fine du rayonnement fossile (avant les missions WMap et Planck) comme l'a relaté Smoot dans son ouvrage : Les Rides du temps.

Le Mooc et sa version anglaise ont eu un succès international sur la toile, de sorte que les cours de Pierre Binétruy et George Smoot ont touché des milliers d'internautes (96.000 inscrits). Pierre Binétruy avait aussi écrit un ouvrage pouvant accompagner ce Mooc et intitulé À la poursuite des ondes gravitationnelles, que Dunod avait publié quelques mois après l'annonce retentissante de la première découverte des ondes gravitationnelles, émises par une fusion de trous noirs, à l'aide des détecteurs de Ligo aux États-Unis.

Futura s'était tourné vers Pierre Binétruy à cette occasion pour en savoir plus. Il nous avait accordé une longue interview (voir l'article précédent ci-dessous) expliquant l'importance de cette découverte. Il nous avait aussi expliqué les raisons qui l'ont conduit à passer de l'étude des conséquences phénoménologiques des théories au-delà du modèle standard, juste après la révolution des théories de jauge des années 1970, à son engagement dans le développement d'un autre détecteur d'ondes gravitationnelles, européen et qui opérera dans l'espace : eLisa.

Physicien de formation, Pierre Binétruy était aussi très cultivé en art, la musique et la littérature notamment. Ce documentaire biographique en fait écho tout en donnant la parole à ses amis et collègues, y compris son frère. On y trouve le témoignage de Mary K. Gaillard mais aussi des grands noms de la théorie des cordes, Pierre Ramond et Gabriele Veneziano. © APC Laboratoire

De la révolution des théories de jauge à celle des supercordes

Malheureusement, Pierre Binétruy nous a quittés en avril 2017 des suites d'un cancer. Sa brusque disparition (il était né en 1955) a choqué tout le monde. Tous ses collègues louaient ses remarquables qualités humaines, un chercheur remarquable, un meneur et un administrateur hors pair, comme il l'a notamment montré en aidant puissamment à la fondation du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC) inauguré en 2006, et dont il fut le directeur jusqu'en 2013. Les deux jours de colloque In memoriam qui ont eu lieu en ce début de mai 2018 en ont donné de multiples témoignages et ils se sont terminés par la projection d'un documentaire émouvant  qui est désormais en ligne.

Futura a également voulu rendre hommage à Pierre Binétruy avec cet article, qui s'ajoute à celui déjà écrit à l'occasion de l'annonce de son décès l'année dernière (voir ci-dessous).

Comme l'explique le documentaire biographique Intrikation, Pierre Binétruy était entré dans les années 1970 à l'École normale supérieure de Saint-Cloud, en région parisienne. Elle a depuis été délocalisée et a changé de nom, devenant l'École normale supérieure de Lyon. Cela va lui ouvrir les portes du Cern en 1977, quelques années après la découverte des courants neutres, première indication de la validité du modèle électrofaible de Glashow-Salam Weinberg (GSW) et donc de l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs.

La physique des hautes énergies est alors en pleine ébullition, la théorie des interactions nucléaires fortes basée sur le modèle des quarks vient d'être formulée sous une forme lagrangienne par Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann, donnant le modèle de la chromodynamique quantique, la QCD. C'est aussi une théorie de jauge, comme le modèle électrofaible. Un quatrième quark, le quark charmé, vient d'être découvert à l'occasion de la fameuse « Révolution de novembre », confirmant la prédiction faite en 1970 par Sheldon Glashow, Jean Iliopoulos et Luciano Maiani. Cela accrédite du même coup les idées de Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa, généralisant le travail de Nicola Cabbibo, qui avait prédit l'existence de six quarks en 1972.

Au Cern, Pierre Binétruy fait la connaissance de Mary K. Gaillard qui s'est déjà fait un nom à l'époque, dans un monde essentiellement masculin, en prédisant la masse du quark charmé avec Ben Lee, avant sa découverte en 1974 par Ting et Richter. Elle lui donne par erreur un sujet de thèse alors qu'il devait s'agir d'un simple sujet de stage. Il la réussira brillamment, ce qui le conduira à publier des articles avec le physicien Thomas Schucker que l'on connaît aujourd'hui par ses travaux sur la théorie unifiée des interactions basée sur la géométrie non commutative d’Alain Connes et par une monographie sur la géométrie différentielle, les théories de jauge et la gravitation. Le travail des deux chercheurs débutant concernait un sujet brûlant à cette époque compte tenu du succès grandissant des théories de jauge, les Théories de Grande Unification, les GUT, proposées pour unifier le modèle GSW et le modèle de la QCD et donc les forces électromagnétique, nucléaires faible et forte.

Thomas Schucker, visiblement très ému, a rappelé combien Pierre Binétruy était à l'écoute de personnes traversant l'adversité. Il a donné un premier exemple des témoignages louant l'humanité de Pierre Binétruy, sa bienveillance qui en faisait un collaborateur et un professeur très apprécié, y compris lorsqu'il s'agissait de trouver le moyen de faire collaborer des individus et des institutions pour de vastes programmes de recherche scientifiques.

Au début des années 1980, Pierre Binétruy va s'engager dans l'investigation des conséquences phénoménologiques des théories proposées pour aller au-delà des premières GUT, c'est-à-dire les théories supersymétriques, comme celle de la supergravité et des supercordes, qui prennent alors leur essor. Ces théories faisant des prédictions à hautes énergies, on peut espérer les tester par leur conséquence en cosmologie et c'est pourquoi il sera à l'origine avec son ami et collègue Pierre Salati, également ému lors du colloque, d'un des tout premiers calculs d'annihilation des particules supersymétriques peut-être produites par le Big Bang. Elles peuvent servir à expliquer la nature de la matière noire, tout en révélant son existence par ses produits d'annihilations pouvant conduire à un excès de positrons dans les rayons cosmiques (on chasse une telle signature avec un détecteur comme AMS).

L'affiche de la conférence dédiée à la mémoire de Pierre Binétruy. © APC

Des astroparticules aux ondes gravitationnelles des trous noirs

En 1997, Pierre Binétruy va être à l'origine du GDR Susy qui va rassembler les diverses communautés cherchant à mettre en évidence la supersymétrie, que ce soit par une approche théorique, phénoménologique, expérimentale avec des accélérateurs ou, mieux encore, par la combinaison de toutes ces approches. Il en sera le directeur pendant quelques années avant de passer le flambeau à Jean Orloff, qui était également présent à ce colloque d'hommage. Mary K. Gaillard a également fait des travaux marquant avec Pierre Binétruy sur les conséquences phénoménologiques des théories supersymétriques et des supercordes en cosmologie (par exemple sur l'origine de l'inflation).

De célèbres pionniers de ces théories étaient également présents, comme Gabriele Veneziano, Pierre Ramond, Pierre Fayet et John Ellis. À la tête du département de physique théorique du Cern pendant plusieurs années, John Ellis est fermement convaincu de la validité de la supersymétrie et il n'est pas du tout découragé par les résultats décevants du LHC à cet égard, comme il l'a expliqué lors de la seconde journée du colloque, davantage consacrée à l'état de la recherche dans les domaines qu'avait abordés Pierre Binétruy plutôt qu'à des témoignages personnels.

Ellis, comme Jean Iliopoulos également présent (et qui a argumenté pour que l'on parle désormais de la Théorie standard plutôt que du Modèle standard après la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs et la précision des mesures confirmant sa validité), pense toujours que la fameuse anomalie du moment magnétique du muon pourrait bien être une fenêtre sur une nouvelle physique, comme la supersymétrie. Mary K. Gaillard a recommandé lors de ces deux jours In memoriam l'ouvrage de Pierre Binétruy traitant de la supersymétrie et qu'elle donne à lire à ses étudiants (Supersymmetry: Theory, Experiment, and Cosmology).

À la fin des années 1990, avec Cédric Deffayet, David Langlois et Pierre Binétruy développent parmi les premiers modèles de cosmologie branaire inspirés par la seconde révolution de la théorie des supercordes permettant d'imaginer des processus confinant la matière du Modèle standard dans l'équivalent d'une membrane plongée dans un espace-temps de plus grande dimension. Les équations standards de la cosmologie à 4 dimensions s'en trouvent modifiées. L'article publié sur arXiv à ce sujet en 1999 l'est presque simultanément avec celui de Lisa Randall et Raman Sundrum, qui va également stimuler l'étude des modèles de cosmologie branaire et qui s'inscrit dans le cadre des théories où des dimensions spatiales supplémentaires de grandes tailles permettent d'imaginer que l'énergie caractéristique de la gravitation quantique est plus basses qu'on ne le croyait, donc accessible dans des collisionneurs comme le LHC. On a alors l'espoir de pouvoir tester directement des théories de gravitation quantique en produisant des minitrous noirs au LHC s'évaporant rapidement via le rayonnement Hawking. Cet espoir sera déçu.

Une présentation de l’observatoire Pierre-Auger, un des grands détecteurs de rayons cosmiques utilisés dans le domaine des astroparticules. 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 ». © universityng

Au début des années 2000, le domaine des astroparticules devient de plus en plus florissant avec notamment l'arrivée imminente de détecteurs géants comme l'observatoire Pierre-Auger et le détecteur de neutrinos IceCube, auxquels sont associés les noms du prix Nobel de physique James Cronin et de Francis Halzen (présent pour honorer la mémoire de Pierre Binétruy et que les étudiants de master en physique des particules connaissent comme co-auteur du célèbre Quarks And Leptons, An Introductory Course In Modern Particle Physics qui permet de s'initier aux diagrammes de Feynman et au modèle standard).

Ayant lui-même travaillé depuis longtemps, avec prescience, à la frontière entre la physique des particules et la cosmologie, Pierre Binétruy avait logiquement décidé de s'impliquer fortement dès 1999 dans la fondation du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC). Cette fondation venait à  l'incitation de Luc Valentin, alors directeur du département de physique de l'Université Paris 7,  connu des étudiants par ses ouvrages d'introduction à la physique en particulier subatomique. L'APC sera finalement inauguré en 2006, non sans péripéties, et avec Pierre Binétruy comme directeur. L'évènement sera marquant car une série de conférences pour le grand public avec rien de moins que la présence de Stephen Hawking s'est tenue pour l'occasion à la Bibliothèque Nationale de France (BNF).

Environ un an avant cette inauguration, convaincu par le potentiel de la traque aux ondes gravitationnelles dans l'espace, Pierre Binétruy entreprend de convaincre des responsables de se lancer dans l'aventure du détecteur spatial eLisa. Pourtant, à cette époque, la France s'est investie dans la recherche effectuée au sol avec le détecteur européen Virgo. C'est ce qu'explique dans le documentaire Intrikation l'actuel directeur de l'APC Stavros Katsanevas.

Futura a consacré deux articles à l'interview que Pierre Binétruy nous avait accordée sur le sujet des ondes gravitationnelles et il nous y parlait bien évidemment d'eLisa. À cette époque, la mission Lisa Pathfinder (entre 2015 et 2017) avait été conçue pour fournir une preuve de principe que le signal des ondes gravitationnelles détectable dans la bande de fréquence de eLisa ne sera pas noyé dans du bruit. Son plein succès a conduit à donner le feu vert à eLisa, dont la mission devrait commencer vers 2035.

Indépendamment des informations qu'eLisa pourrait fournir en astrophysique et en cosmologie, Pierre Binétruy était convaincu de l'intérêt des EMRI (Extreme Mass Ratio Inspirals), des trous noirs stellaires en orbites rapprochées autour d'un trou noir supermassif, tournant en spirale de plus en plus rapidement jusqu'à la collision et la fusion. Probablement en raison de la polémique sur l'existence d'un « pare-feu » au niveau l'horizon des évènements d'un trou noir, le chercheur estimait que les mesures d'ondes gravitationnelles ainsi produites pouvaient apporter des clés pour la gravitation quantique.

Ces ondes devraient permettre de cartographier précisément la structure du champ de gravitation tout près de l'horizon d'un trou noir et même de vérifier l'existence de cet horizon. Tout récemment, Steven Giddings, pionnier de la physique des micro-trous noirs, hélas non détectés dans les collisions du LHC, a apporté des éléments allant dans le sens de l'existence de signes de la gravitation quantique détectables de cette façon. Cela pose des questions profondes sur la physique de l'information dans les trous noirs et en gravitation quantique, que l'on peut tenter d'aborder dans le cadre de l'informatique moderne, à la frontière des recherches sur les ordinateurs quantiques et l'intelligence artificielle (voir l'intervention de Gia Dvali lors du colloque).

Pour finir et pour revenir sur Terre, littéralement, plusieurs des intervenants du colloque ont souligné que Pierre Binétruy s'intéressait à de très nombreux domaines de la physique. Il a ainsi poussé à un rapprochement entre les équipes travaillant dans le domaine des astroparticules, des ondes gravitationnelles et celles travaillant dans le domaine des géosciences. Comme le prouve le détecteur Borexino initialement départ dédié à l'étude des neutrinos solaires, la physique des neutrinos peut aussi donner des renseignements sur les géoneutrinos et ouvrir une fenêtre sur la géodynamo terrestre. Un Laboratoire d'Excellence (Labex) nommé UnivEarthS est ainsi né.

Il y a eu de nombreux autres témoignages lors des conférences In memoriam de Pierre Binétruy. Elles ont été filmées et elles devraient bientôt être disponibles.

  • Un colloque In memoriam a été organisé en l'honneur du physicien Pierre Binétruy, décédé en avril 2017.
  • De nombreux grands physiciens, de la cosmologie et de la physique des particules, étaient présents.
  • C'est l'occasion de rappeler les travaux de ce grand homme et de cette génération de physiciens.
Pour en savoir plus

Après le décès de Pierre Binétruy, les chasseurs d'ondes gravitationnelles en deuil

Article de Laurent Sacco publié le 04/04/2017

Le physicien Pierre Binétruy vient de nous quitter. Il avait beaucoup œuvré en France pour faire connaître au grand public le monde de la relativité générale, avec ses trous noirs et ses ondes gravitationnelles. C'était aussi un théoricien respecté dans le monde de par ses recherches en physique des particules. Celles-ci portaient sur la supersymétrie, les supercordes et leurs conséquences en cosmologie.

La triste nouvelle avait commencé à circuler ce weekend sur les réseaux sociaux, et ce n'était malheureusement pas un poisson d'avril. Un communiqué du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC), à Paris, a officialisé le décès de Pierre Binétruy, né en 1955.

Il était connu du grand public pour son Mooc intitulé Gravité ! Du Big Bang aux trous noirs, sur la plateforme France université numérique (FUN). Il le donnait avec la participation du cosmologiste et prix Nobel de physique 2006 George F. Smoot, également professeur à Paris-Diderot et membre, tout comme l'était Pierre Binétruy, du Paris Centre for Cosmological Physics.

Futura s'était tourné vers lui l'année dernière pour une interview alors que la découverte des ondes gravitationnelles venait d'être annoncée (voir article ci-dessous). Il avait en effet écrit un livre sur le sujet. Il faut dire que, pour ses collègues, Pierre Binétruy était aussi un chercheur de grande valeur, dont la réputation était mondiale et l'un de ceux qui s'étaient fortement impliqués depuis plus de dix ans en France, à travers le Cnes, dans le programme de détection dans l'espace des ondes gravitationnelles avec eLisa. Il était donc également impliqué dans la mission Lisa Pathfinder, à tel point que, même pendant les jours de son hospitalisation et aux prises avec la maladie qui allait l'emporter, il n'a cessé d'y travailler.

Une conférence de Pierre Binétruy sur la détection des ondes gravitationnelles. © Laurence Honnorat

Cosmologie : quelles théories au-delà du modèle standard ?

Il avait obtenu son doctorat en 1980, au moment où la révolution des théories de jauge et le modèle standard, avec la QCD et la théorie électrofaible, étaient en train de s'imposer en conduisant à des prédictions expérimentales testables dont le point culminant allait être la découverte des bosons intermédiaires Z et W, au Cern, au début des années 1980.

Son directeur de thèse n'était autre que Mary K. Gaillard, un des grands noms de la physique des particules de cette époque glorieuse. Comme elle, Pierre Binétruy allait explorer les conséquences phénoménologiques des théories au-delà du modèle standard qui allaient apparaître sur le devant de la scène à partir des années 1980, à savoir les théories supersymétriques comme la supergravité et la théorie des supercordes. Ces théories pouvaient, et peuvent toujours, être testées par leurs conséquences en cosmologie via la théorie de l'inflation, l'énergie noire et la matière noire.

Un des physiciens théoriciens les plus brillants de son époque

Plusieurs des articles qu'il a produits, parfois avec de prestigieux collaborateurs, l'ont établi comme un des physiciens théoriciens les plus brillants de son époque et, étant donné son domaine de recherche, on ne sera pas surpris de son implication dans la fondation du laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC), dont il fut le directeur jusqu'en 2013. À l'occasion de l'inauguration de ce laboratoire, il présenta d'ailleurs à la BNF une série de conférences avec Gabriele Veneziano, le père de la théorie des cordes (rien de moins !), Stephen Hawking, qu'on ne présente plus, et le prix Nobel de physique James Cronin, très impliqué dans le détecteur de rayons cosmiques Auger, en Argentine.

Selon le communiqué de décès de l'APC, les multiples activités que Pierre Binetruy poursuivait « avec un enthousiasme et une rigueur sans faille, étaient accompagnées d'une grande culture et sophistication, une connaissance profonde des arts, où il a propulsé plusieurs actions entre art et sciences, et surtout une grande qualité humaine. Cette qualité a fait que la nouvelle de sa disparition a été vécue avec une grande tristesse à travers le monde. Comme un de ses éminents collègues l'a dit de lui : "Pierre était une de ces personnes très exceptionnelles qui était au sommet du jeu et, en même temps, un collègue remarquablement simple et agréable" ».

Il manquera à beaucoup de ceux qui l'ont connu.


Exclusif : Pierre Binétruy explique la traque des ondes gravitationnelles

Article de Laurent Sacco publié le 11/02/2016

Parmi les dénominateurs communs entre la théorie du Big Bang et celle des trous noirs figurent les ondes gravitationnelles prédites par Albert Einstein il y a 100 ans. Pour comprendre l'importance de leur détection et de leur étude directe, Futura s'est tourné vers le physicien théoricien Pierre Binétruy. Il est impliqué dans la chasse à ces ondes via le projet eLisa de l'Agence spatiale européenne, destiné à les observer depuis l'espace. Voici la première partie de son interview.

Pour prendre la mesure de ce que représentera dans un futur proche l'astronomie gravitationnelle, en particulier avec eLisa (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), Futura s'est tourné vers un des chercheurs français impliqués dans ce projet européen. Pierre Binétruy, professeur à l'université Paris Diderot, a été directeur du laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC), à Paris, depuis sa création en 2006 jusqu'en 2013.

Futura : Vous avez commencé votre carrière en publiant avec des grands noms de la physique des particules associés aux théories de la supersymétrie, comme Pierre Ramond et Mary Gaillard, notamment sur des questions de supergravité et de phénoménologie des supercordes. Comment en êtes-vous arrivé à la chasse aux ondes gravitationnelles ?

Pierre Binétruy : Il y a deux raisons à cela. La première est que certains de mes travaux portaient sur l'univers primordial et donc aussi la cosmologie relativiste. Il s'agissait par exemple de comprendre l'origine de l'inflation, dont on espère obtenir un jour une preuve définitive en détectant la présence des ondes gravitationnelles qu'elle a dû engendrer. Elles devraient avoir laissé des traces sous la forme des fameux modes B dans le rayonnement fossile.

Par ailleurs, quand est arrivée la seconde révolution des supercordes, dans les années 1990, ainsi que le fameux modèle de Randall-Sundrum, je me suis tout naturellement aussi intéressé aux cosmologies branaires qui en découlaient. Elles postulent que notre espace-temps à quatre dimensions est en fait l'équivalent d'une membrane à trois dimensions flottant dans un univers multidimensionnel. Il y aurait donc des dimensions spatiales supplémentaires et cela conduit à des prédictions potentiellement observables.

La deuxième raison est qu'au moment où nous avons fondé et démarré l'APC, mes collègues et moi, nous réfléchissions à des projets importants qui mobiliseraient le laboratoire sur le long terme, à savoir des dizaines d'années. Il est rapidement apparu que l'astronomie gravitationnelle était un futur tant pour la cosmologie que pour l'astrophysique des hautes énergies qui étudie les trous noirs. Et, par ailleurs, les laboratoires français étaient encore peu impliqués dans le projet eLisa. C'était un projet fédérateur, dans lequel je me suis personnellement impliqué.

Pour quelles raisons avez-vous écrit un livre sur la traque des ondes gravitationnelles avec eLisa ?

Pierre Binétruy : Il s'agit d'un projet ambitieux qui devrait voir le jour à l'horizon 2030. Son coût est évalué à entre un et demi et deux milliards d'euros et il est normal que le grand public comprenne ce qui est en jeu et puisse même participer à cette grande aventure. Je voulais aussi qu'il réalise que derrière des sujets aussi fascinants que le Big Bang, les trous noirs, l'énergie sombre et même la matière sombre, il y a un fil conducteur qui les réunit tous : la gravité, avec notamment la théorie de la relativité générale d’Einstein dont on a fêté le centenaire l'année dernière.

En vue de préparer le Mooc Gravité ! Du Big Bang aux trous noirs, j'ai donc commencé à écrire un ouvrage montrant ce fil conducteur et finalement pourquoi il était si important de développer l'astronomie gravitationnelle. Le résultat a été le livre que j'ai publié chez Dunod intitulé À la poursuite des ondes gravitationnelles. Mais le livre se lit indépendamment du cours, et vice versa. Les deux approches sont complémentaires, et peuvent s'enrichir mutuellement.

Un survol d'un des interféromètres de la collaboration Ligo et quelques explications sur le principe de la détection des ondes gravitationnelles. 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 Magazine, YouTube

Cette chasse aux ondes gravitationnelles semble prendre un tournant important, car Advanced Ligo aurait détecté au moins un signal provenant de la coalescence de deux trous noirs stellaires. Pourquoi faut-il prendre cette découverte potentielle au sérieux ?

Pierre Binétruy : Les ondes gravitationnelles que l'on peut mesurer sur Terre font varier les distances dans l'espace comme le ferait une onde dans un milieu élastique. Mais on parle là de variations de distances extrêmement faibles.

Il faut une métrologie de très haute précision, utilisant l'interférence de rayons laser se propageant sur de grandes distances. Ces rayons laser se propagent dans deux tubes à vide perpendiculaires, longs de 4 km, se réfléchissent aux extrémités sur des miroirs pour revenir au point de départ où ils interfèrent. Ceci constitue ce qu'on appelle un interféromètre de Michelson.

En faisant rebondir plusieurs fois ces rayons laser dans des cavités dites de Fabry-Pérot, tout se passe comme si l'on mesurait des variations de longueur sur un trajet d'environ 1.600 km. Cela reste très difficile à réaliser et il faut s'assurer qu'il n'y a pas de bruits parasites, comme des ondes sismiques, et que l'on comprend très bien ce qui se passe dans l'interféromètre. Celui-ci pourrait par construction même fausser les mesures. Ce serait un biais expérimental.

Pour parer à ces inconvénients, on doit construire au moins deux machines distantes. C'est une procédure standard en physique et c'est d'ailleurs pourquoi on a chassé le boson de Brout-Englert-Higgs au LHC avec deux détecteurs, Atlas et CMS. On est dans la même situation ici avec deux interféromètres Ligo, dont l'un se trouve à Hanford, dans le sud de l'État de Washington, et l'autre à plus de 3.000 km de là, près de Livingston, en Louisiane.

Une des raisons pour lesquelles les membres de la collaboration Advanced Ligo (aidés dans leurs analyses par les physiciens de Virgo) sont confiants dans leur découverte est donc qu'ils ont dû détecter dans les deux machines le même signal caractéristique, en l'occurrence celui que l'on s'attend à voir en raison des calculs (dont certains nécessitent des superordinateurs) menés pour décrire la collision et la fusion de deux trous noirs stellaires.

De gauche à droite, les deux interféromètres du projet Ligo, celui de Handford (LHO) et celui de Livingston (LLO). Au centre, leur localisation aux États-Unis. © Caltech/MIT/LIGO Lab

Pourquoi n'a-t-on pas déjà fait cette découverte avec Ligo ou avec Virgo, son équivalent européen ?

Pierre Binétruy : Ces détecteurs ne sont sensibles qu'à des ondes dans une certaine bande de fréquences. Elle correspond aux explosions asymétriques de supernovae et aux systèmes binaires contenant des étoiles à neutrons ou des trous noirs stellaires. Dans ce dernier cas, les fréquences des ondes sont directement reliées aux périodes des orbites des astres compacts. Au fur et à mesure que le système binaire perd de l'énergie, les deux astres se rapprochent et ils tournent plus vite : la fréquence augmente. Dans les dernières secondes avant la fusion, la fréquence entre dans la bande de sensibilité des détecteurs.

La majorité des étoiles dans les galaxies sont sous forme d'étoiles doubles et on sait estimer le nombre de systèmes binaires d'astres compacts (comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs) dans un volume d'espace de quelques dizaines de millions d'années-lumière. Mais il faut ensuite calculer la fraction de ceux qui entrent finalement en collision et sont donc susceptibles d'être détectés chaque année. Cependant, les incertitudes sur cette évaluation sont de l'ordre de 10 à 100.

Dans le cadre des hypothèses optimistes, Ligo et Virgo auraient pu détecter des émissions d'ondes gravitationnelles au début de leur exploitation pendant les années 2000. Cela n'a pas été le cas et il a donc fallu augmenter leur sensibilité. Le détecteur Ligo a réussi à redémarrer le premier en septembre de l'année dernière. Ligo pouvait sonder initialement une région dont le rayon était d'environ 65 millions d'années-lumière fin 2010. On est passé à présent à une région dont le rayon est de 225 millions d'années-lumière. À terme, il est prévu d'atteindre un rayon de 650 millions d'années-lumière : un progrès d'un facteur 10 en distance et donc un volume 1.000 fois plus important.

On pouvait raisonnablement prévoir qu'Advanced Ligo détecte des collisions entre astres compacts mais si l'on en croit les chiffres concernant la masse totale des deux trous noirs qui seraient entrés en collision, c'est une surprise car ils sont plus lourds que ce que l'on imaginait. Et donc le signal est probablement plus significatif par rapport au bruit de fond

Peut-on localiser la région de la voûte céleste où se serait produit cet événement, et en déterminer la distance ?

Pierre Binétruy : En théorie oui. Comme je l'explique dans mon livre, si l'on dispose de deux détecteurs éloignés on peut commencer à faire des estimations par triangulation sur la position d'une source d'ondes gravitationnelles. Trois détecteurs ou plus répartis autour de la Terre seraient une meilleure solution. C'est pour cela qu'on attend avec impatience la mise en route prochaine d'Advanced Virgo. Et Ligo propose d'installer l'un de ses détecteurs en Inde pour améliorer la couverture.

Dans le cas de la mission eLisa, on ne dispose que d'un détecteur, mais qui se déplace dans le ciel, étant en orbite autour du Soleil. On utilisera donc ses positions successives pour déterminer la position de la source dans le ciel. Mais ce ne sera bien sûr possible que pour des événements assez longs. Heureusement, eLisa attrapera le signal de binaires de trous noirs supermassifs quelques mois avant le plongeon final !

Dans tous les cas, les mesures de distance sont fortement améliorées si on observe en parallèle un signal électromagnétique. C'est pour cela qu'il sera intéressant de voir si les événements sont vus aussi par les télescopes au sol ou les missions spatiales en opération.

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