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Les ondes gravitationnelles détectées grâce aux étoiles ?

ActualitéClassé sous :Astronomie , onde gravititationnelle , relativité générale

Les générations futures de télescopes étudiant les vibrations des étoiles, comme Corot et Kepler, pourraient servir de détecteurs d'ondes gravitationnelles efficaces dans certaines bandes de fréquences. Ils permettraient même de tester des alternatives à la théorie de la gravitation d'Einstein.

Une image de synthèse extraite de la représentation d'une collision de deux naines blanches. Les ondes gravitationnelles font osciller le tissu de l'espace-temps comme des vagues sur l'eau, juste avant la collision des deux astres compacts. En emportant de l'énergie, ces ondes font décroître la taille de l'orbite d'un système binaire constitué d'astres compacts jusqu'à ce qu'une collision se produise. © GSFC/D. Berry

Les ondes gravitationnelles forment le rayonnement le plus pénétrant de l'univers. Rien ne peut les arrêter puisqu'elles constituent des vibrations du tissu même de la réalité, l'espace-temps. L'astronomie gravitationnelle est donc prometteuse car elle a le potentiel de nous révéler des informations précieuses sur des domaines méconnus, comme l'intérieur des étoiles à neutrons, la physique des trous noirs (notamment quand ils entrent en collision) voire la création même de l'univers observable au moment du Big Bang.

Ces ondes sont également précieuses pour la physique fondamentale. L'étude des astres compacts, c'est-à-dire les trous noirs, les étoiles à neutrons et les naines blanches, repose sur les équations de la relativité générale. Or il existe des alternatives à la théorie de la gravitation d'Einstein, faisant aussi appel à un espace-temps courbé par la matière (plus exactement l'énergie et la quantité de mouvement) mais postulant d'autres équations pour gouverner cette courbure et ajoutant même d'autres champs (par exemple les théories tenseur-scalaire comme celles de Brans-Dicke). Elles peuvent être mises à l'épreuve dans certains phénomènes mais alors les différences avec la relativité sont d'autant plus nettes et visibles que le champ de gravitation impliqué est fort. L'étude des ondes gravitationnelles émises par les astres compacts pourrait ainsi nous ouvrir une fenêtre sur une nouvelle physique.

Nous savons que les ondes gravitationnelles existent grâce à l'étude des pulsars binaires. Mais il s'agit d'une preuve indirecte. On aimerait bien détecter ces ondes directement et c'est ce que l'on tente de faire avec Virgo et Ligo ainsi que dans un futur proche avec eLisa. Malheureusement, ces détecteurs ne peuvent observer que des sources lointaines particulièrement puissantes mais sporadiques.

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. © Du Big Bang au Vivant, YouTube

Dans un article publié sur arxiv, le grand cosmologiste Joseph Silk et son collègue portugais Ilídio Lopes proposent de contourner cet obstacle en se servant des étoiles, en particulier des géantes rouges. Ce n'est pas la première fois que l'on propose de détecter directement les ondes gravitationnelles avec des astres puisque Freeman Dyson avait déjà suggéré il y a plus de 40 ans d'utiliser la Terre.

Le principe de la détection est d'ailleurs le même. Les étoiles et les planètes ont des modes propres d'oscillation et peuvent donc vibrer et être parcourues par des ondes. Dans une étoile, ces ondes arrivant en surface la font vibrer, ce qui provoque des variations de la luminosité de l'étoile ainsi que des décalages Doppler. L'étude de ces manifestations est le domaine de l'astérosismologie, et de l'héliosismologie dans le cas particulier du Soleil.

Un détecteur d'ondes gravitationnelles de la taille d'une géante rouge

Le télescope spatial Corot de l'Esa ne s'est pas contenté de chasser les exoplanètes, il a aussi permis de faire de l'astérosismologie. Son successeur, Plato (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) fera de même. Selon Silk et Lopes, la génération d'instruments qui remplacera Plato devrait pouvoir mettre en évidence des modifications des vibrations de certaines étoiles en réponse au passage d'ondes gravitationnelles. Les meilleurs résultats seraient obtenus en étudiant des systèmes triples contenant deux astres compacts, comme des naines blanches, orbitant autour d'une géante rouge. De tels systèmes triples sont déjà connus.

L'avantage d'avoir une binaire d'astre compact dans ces systèmes est que l'on a une puissante source d'ondes gravitationnelles, dont les caractéristiques sont mesurables et qui permettent de prédire un spectre de fréquences, juste à côté du détecteur naturel que constitue une géante rouge. En réponse au passage de ces ondes, des résonances pourraient se produire qui modifieraient le spectre des vibrations de ces étoiles en l'absence d'ondes gravitationnelles. L'astérosismologie permettrait donc de détecter et d'étudier ces émissions d'ondes en permanence alors que Virgo, Ligo et eLisa doivent attendre des émissions provoquées par des événements catastrophiques rares.

La technique pourrait aussi mettre en évidence des ondes gravitationnelles en provenance de sources un peu plus lointaines. Surtout, l'étude d'une ensemble de systèmes triples dans la Voie lactée permettrait d'étudier la propagation de ces ondes dans un large volume d'espace, ce qui pourrait révéler des informations utiles.

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