Vue d'artiste des ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu de l'espace-temps et rayonnées par un couple d'étoiles à neutrons spiralant l'un vers l'autre en perdant de l'énergie à la suite de l'émission de ces ondes. Celles-ci sont en mesure de déformer des étoiles et des planètes en les faisant vibrer. © Petrovich12, Adobe Stock
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Ondes gravitationnelles : le couple Terre-Lune pourrait servir de détecteur géant

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[EN VIDÉO] Ondes gravitationnelles : leur détection expliquée en une minute  Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures. 

Les ondes gravitationnelles qui arrivent sur Terre doivent provenir de plusieurs sources dans le cosmos observable. Elles doivent faire varier l'orbite de la Lune autour de la Terre en étirant et compressant le tissu de l'espace-temps. Des astrophysiciens pensent que le phénomène est mesurable et peut servir à détecter ces ondes.

Chaque fois qu'une nouvelle bande spectrale s'est ouverte dans le domaine des ondes électromagnétiques pour l'astrophysique, il en a résulté de nouvelles découvertes. On peut citer à cet égard les débuts de la radioastronomie et de l'astronomie X qui ont permis de découvrir les quasars, les étoiles à neutrons et les premiers candidats au titre de trou noir. On peut donc s'attendre à des révélations similaires avec l'astronomie gravitationnelle.

Les détecteurs Ligo et Virgo permettent d'explorer le spectre des ondes gravitationnelles avec des fréquences comprises en gros entre 1 et 1.000 Hz. En combinant ces observations avec des instruments opérant avec des ondes électromagnétiques pour faire de l'astronomie multimessager, il a de plus été possible de vérifier certains modèles pouvant rendre compte de certains sursauts gamma, en l'occurrence ceux faisant intervenir des collisions d'étoiles à neutrons se manifestant aussi sous la forme de kilonovae.

Une autre bande spectrale, avec des fréquences plus basses allant de 10−5 Hertz à 1 Hertz sera accessible avec la mission eLisa dans l'espace et elle devrait être bavarde sur les émissions d'ondes gravitationnelles faisant intervenir des trous noirs supermassifs. Mais il faudrait pour cela attendre l'horizon des années 2030...

...Ou peut-être pas pour une partie de cette bande car on pense pouvoir utiliser les pulsars de la Voie lactée dans la bande de 1 à 100 nHz dans le cadre notamment de la collaboration North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) ou encore celle de l'European Pulsar Timing Array (Epta).

Une autre perspective similaire, dans un domaine autour du microhertz () se profile également à l'horizon comme on peut s'en convaincre avec deux publications à consulter en accès libre sur arXiv. Elles ne sont pas sans rappeler un peu une idée mise avant il y a bien des années et dont Futura avait déjà parlé dans le précédent article ci-dessous.

Cinquante ans après le premier pas de Neil Armstrong, les instruments déployés sur la Lune par la mission Apollo 11 sont toujours utilisés par des scientifiques français. Grâce aux panneaux réflecteurs posés sur le sol lunaire, ils mesurent la distance qui sépare notre Planète de son satellite. À la clef, de précieux enseignements sur la rotation de la Lune ou la composition de son noyau. © CNRS

Des trous noirs supermassifs à la cosmologie primordiale

Pour comprendre de quoi il en retourne, il faut rappeler que les ondes gravitationnelles sont des déformations périodiques de l'espace-temps qui se comporte comme un milieu élastique. Le passage d'une onde gravitationnelle va donc étirer et compresser de façon oscillante l'espace et donc les distances que peut parcourir un rayon de lumière et tout simplement aussi étirer et compresser un corps matériel.

Or il se trouve que, depuis environ 50 ans et à la suite du programme Apollo et de l'arrivée des rovers lunaires soviétiques, il existe des rétroréflecteurs sur la surface de notre satellite capables de renvoyer directement dans leur direction d'incidence des impulsions lasers. On peut donc calculer très précisément la distance Terre-Lune en mesurant sur Terre le temps d'aller-retour des impulsions lasers.

C'est ce que font depuis bien des années des équipes de l'Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides - IMCCE (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Sorbonne Université) et du laboratoire Géoazur (OCA) avec la station de télémétrie laser Lune de l'Observatoire de la Côte d'Azur, implantée sur le plateau de Calern. Cela leur permet de calculer le mouvement orbital et rotationnel de la Lune avec une incertitude de l'ordre du centimètre sur 10 ans.

Or il se trouve que les astrophysiciens relativistes ont démontré par le calcul que la combinaison aléatoire des ondes gravitationnelles dans le domaine autour du microhertz, issue de bien des sources dans le cosmos observable et qui constitue une sorte de bruit de fond stochastique comme les experts le nomment, peut faire évoluer les paramètres orbitaux du système Terre-Lune.

Le passage de ces ondes transformerait donc ces deux corps célestes en une sorte de corps matériel oscillant de façon en partie aléatoire mais avec une signature exploitable permettant d'affirmer que l'on voit bien l'influence des ondes gravitationnelles et pas autre chose perturbant les paramètres orbitaux de ces corps célestes. Il faut pour cela combiner les équations de la mécanique céleste en relativité avec des ondes gravitationnelles et la célèbre équation de Fokker-Planck initialement employée pour décrire le mouvement brownien mais qui a d'autres applications en astrophysique connues depuis longtemps comme le démontre un fameux article du grand astrophysicien indien Chandrasekhar (Stochastic Problems in Physics and Astronomy).

Non seulement les ondes gravitationnelles des trous noirs supermassifs binaires seraient ainsi détectables mais également d'autres sources plus exotiques comme une transition de phase du premier ordre dans le contenu de l'Univers très primordial.

Comme des vagues à la surface de l'eau, le fond d'ondes gravitationnelles stochastiques est bien visible dans cette représentation d'artiste montrant son influence sur l'évolution de la forme de l'orbite d'un système binaire constitué de deux corps célestes. © D. Blas and A. C. Jenkins
Pour en savoir plus

La Terre pourrait servir à détecter des ondes gravitationnelles

Article de Laurent Sacco publié le 18/03/2014

Une fraction du bruit sismique à l'échelle de la Terre pourrait en théorie provenir du fond d'ondes gravitationnelles produites par des sources dispersées dans le cosmos. Il serait donc possible d'observer et de mesurer ce fond avec le réseau global de sismomètres. L'idée a été avancée il y a des décennies par le physicien Freeman Dyson. Elle a été mise en pratique à nouveau récemment.

Freeman Dyson a récemment fêté ses 90 ans. C'est l'un des esprits les plus originaux du XXe siècle. Élève du célèbre mathématicien Godfrey Hardy à Cambridge et admirateur du Tractatus logico-philosophicus de Ludwig Wittgenstein, il s'est tout d'abord fait un nom en théorie quantique des champs. Il fut en effet le premier à comprendre l'importance et le bien-fondé des travaux de Richard Feynman sur l'électrodynamique quantique relativiste, dont il donna une forme plus rigoureuse. Cela lui a permis de décrocher un poste à vie à l'université de Princeton sans même avoir un doctorat.

Ses contributions scientifiques ont ensuite porté sur des domaines très variés. Il a par exemple été un membre important du projet Orion, un vaisseau spatial qui aurait été propulsé par des explosions nucléaires, et on lui doit le concept de sphère de Dyson. Deux chercheurs viennent de remettre au goût du jour une brillante idée que Dyson a eue en 1969. Elle concerne la théorie de la relativité générale.

Freeman Dyson dans son bureau à l'université de Princeton. Le physicien a très bien connu de grands noms de la physique comme Hans Bethe et Robert Oppenheimer. © Monroem, Wikipédia, cc by sa 3.0

Les barres de Weber

À l'époque, l'astrophysique relativiste a gagné ses lettres de noblesse avec la découverte des quasars, des pulsars et du rayonnement fossile. On est en plein renouveau des études portant sur la relativité générale, et on commence à prendre très au sérieux le concept de trou noir. L'une des prédictions de la relativité générale parmi les plus importantes est celle de l'existence d'ondes gravitationnelles. Le physicien Joseph Weber s'est attelé à la tâche de leur détection dès les années 1960. Pour cela, il a utilisé des barres métalliques en aluminium pesant environ une tonne, placées sous vide et isolées autant que faire se peut des sources de vibrations terrestres. On les appelle aujourd'hui des barres de Weber.

En principe, si une onde gravitationnelle de forte intensité issue d'un phénomène astrophysique violent (comme la collision de deux trous noirs) traversait le Système solaire, elle devrait faire vibrer les objets matériels en déformant la structure de l'espace-temps. L'effet est très faible, et il faut s'assurer que les barres métalliques que l'on utilise soient vraiment bien isolées. Weber a pensé à plusieurs reprises avoir détecté des ondes gravitationnelles, mais il s'agissait d'erreurs. De nos jours, on les chasse avec des détecteurs géants comme Virgo et Ligo, qui reposent sur un principe de détection différent : la mesure de franges d'interférence avec des lasers.

Joseph Weber (1919-2000) était un pionnier de la détection des ondes gravitationnelles. On le voit ici avec le détecteur de son invention, une barre de Weber. © AIP, Emilio Segrè Visual Archives

Les résultats sont pour le moment négatifs, et ils posent des bornes sur les intensités et les bandes de fréquences où l'ont pourrait détecter des ondes gravitationnelles. Il faudra très probablement en passer par le projet eLisa pour que décolle vraiment l'astronomie gravitationnelle. Toutefois, en 1968, Dyson avait fait remarquer qu'il existe un détecteur géant et naturel d'ondes gravitationnelles : la Terre.

Fond d'ondes gravitationnelles cosmologiques

La Terre peut en effet être comparée à un corps élastique en rotation capable de vibrer en réponse au passage d'une onde gravitationnelle. Dyson s'était demandé si ces vibrations pouvaient donner un signal clair sous forme d'ondes sismiques enregistrables par des sismomètres. Compte tenu des incertitudes de l'époque, ses calculs montraient que ce n'était peut-être pas impossible avec des fréquences de l'ordre du hertz.

Michael Coughlin de l'université Harvard (Cambridge, Massachusetts) et Jan Harms de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) à Florence, en Italie, ont utilisé le réseau global moderne de sismomètres pour étudier à nouveau cette question. Il s'agissait pour eux d'estimer cette fois-ci le bruit de fond d'ondes gravitationnelles en provenance de tout le cosmos dans une bande de fréquences comprises entre 0,05 et 1 Hz.

Malheureusement, ils n'ont rien trouvé. Ils n'ont fait que poser une nouvelle limite sur le bruit de fond dans cette bande de fréquences. Elle n'est pas très contraignante si on la compare à celles posées sur d'autres bandes. Mais comme les chercheurs l'expliquent dans un article sur arxiv, elle représente une amélioration d'un facteur de l'ordre du milliard par rapport à la borne précédente pour la même bande de fréquences.

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