En 2015, une nouvelle ère pour l'astronomie s'est ouverte, celle des ondes gravitationnelles. Les détecteurs utilisés pour cette astronomie étaient à l'arrêt depuis le début de la pandémie et des upgrades étaient prévus pour aller encore plus loin pour explorer l'Univers prédit par les équations de la gravitation d'Einstein et celles qui pourraient les remplacer. Ce 24 mai 2023, l'un de ces détecteurs a repris la chasse à ces ondes, avec notamment l'espoir d'observer non pas seulement des collisions d'astres mais aussi des explosions de supernovae.
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Souvenons-nous, c'est à la fin de l'année 2015 que la communauté scientifique célébrait les 100 ans de la formulation par EinsteinEinstein de sa théorie de la gravitation. Ce que certains chercheurs savaient déjà - mais en gardaient le secret - c'est que peu de temps avant, les détecteurs d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles |3e25e061c0a6c0ae9cd5b6ca97d8ed08| aux États-Unis, avaient fait la première détection directe sur Terre du passage d'un flux d'ondes gravitationnelles. Elles déforment la géométrie de l'espace-temps comme le ferait une onde à la surface de l'eau ou dans un milieu élastique, comme celui de l'intérieur de notre Planète bleue au passage d'ondes sismiquesondes sismiques.
Au début de l'année suivante, la noosphère apprenait enfin que l'ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles avait commencé le 14 septembre 2015 avec la détection sur Terre de la source d'ondes gravitationnelle GW150914, GW étant l'acronyme de Gravitational Wave, en anglais. L'analyse du signal avait été effectuée par les membres de la collaboration Ligo, mais aussi de VirgoVirgo en Europe. Le signal détecté par Ligo provenait des derniers évènements survenant quand deux trous noirs de masse stellaire, formant un couple binairebinaire, se rapprochent en suivant une spirale, puis fusionnent en un seul astre compact (voir les vidéos ci-dessous). Rappelons que la France et l'Italie sont très impliquées théoriquement et observationnellement dans l'étude des ondes gravitationnelles avec le détecteur Virgo, comme le prouve l'attribution d'une des médailles d’or du CNRS à Alain Brillet et Thibault Damour, ainsi que l'existence d'importantes équipes travaillant dans des laboratoires comme le LAPP (Laboratoire d’Annecy de physique des particules) ou encore celui de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA) à Nice, Artemis.
Une vidéo de présentation de Virgo et de la chasse aux ondes gravitationnelles. © CNRS
De Ligo à Kagra et dans le futur eLisa
Futura en avait profité pour interviewer plusieurs fois l'un des membres d'Artemis, l'astrophysicienastrophysicien OlivierOlivier Minazzoli, travaillant également au centre scientifique de Monaco. Il nous avait, par exemple, apporté plusieurs explications concernant la possibilité de tester la théorie des supercordes avec Virgo et Ligo ainsi que sur la possibilité d'obtenir une preuve extrêmement convaincante de l’existence des trous noirs en mettant en évidence l'influence de ce que l'on appelle leurs modes quasi normaux sur le spectre des ondes gravitationnelles résultant de la fusion de deux trous noirs.
À l'origine de Ligo aux États-Unis, les physiciensphysiciens états-uniens Rainer Weiss, Kip S. Thorne et Barry C. Barish ont reçu peu de temps après le prix Nobel de physiquephysique - on peut les voir présenter leurs découvertes et accomplissements dans les deux vidéos ci-dessous. Ligo et Virgo allaient, dans les années qui allaient suivre, détecter plusieurs collisions sources d'ondes gravitationnelles, des fusions de deux trous noirs, des collisions entre deux étoiles à neutronsétoiles à neutrons, et plus rarement des collisions entre trous noirs et étoiles à neutrons. Il ne s'agit pas encore d'événements faisant intervenir des trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs ou encore de masse intermédiaire, il faudra attendre l'horizon des années 2030 avec le détecteur dans l’espace eLisa.
Entre chaque campagne de recherche, les détecteurs sont upgradés pour devenir plus sensibles, capables donc de détecter des événements plus lointains et de tirer des informations plus précises concernant ces événements comme les masses, les moments cinétiquesmoments cinétiques de rotation propre sur eux-mêmes des trous noirs et enfin poser de nouvelles contraintes sur les théories relativistes de la gravitationgravitation alternatives à la théorie d'Einstein.
Ces upgrades nécessitent des pauses et en raison de la pandémiepandémie de la Covid-19Covid-19, Ligo, Virgo et aussi leur cousin japonais, Kagra, n'avaient plus rien observé depuis 2020. Les membres de Ligo ont fait savoir qu'ils repartaient à la chasse aux ondes. Virgo aura un peu de retard sur son programme puisqu'il ne rejoindra Ligo dans ses recherches qu'à la fin de l'été, voire au début de l'automneautomne 2023. Kagra a lui aussi repris sa chasse, le même jour que Ligo, c'est-à-dire ce 24 mai 2023.
Ligo et la chasse aux ondes gravitationnelles I. 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 ». © LIGO Lab Caltech : MIT
Des fusions de trous noirs mais aussi des supernovae
La sensibilité de Ligo a donc été augmentée, de sorte que les machines doivent être capables de détecter des collisions de trous noirs tous les deux ou trois jours en moyenne au lieu d'une par semaine.
Les chercheurs espèrent maintenant détecter les ondes gravitationnelles émises au moment où une étoile débute l'effondrementeffondrement qui va la conduire à exploser sous la forme d'une supernovasupernova. Cette détection est pour le moment limiter à la Voie lactée mais on a bon espoir de détecter un tel événement probablement avant 2050, avec un peu de chance.
Au programme d'étude, il y a aussi la détection des ondes émises par des étoiles à neutrons en rotation en raison de la présence de « montagnes » à leur surface. Une sphère parfaite ne pourrait pas émettre ces ondes d'après la théorie d'Einstein.
Ces derniers progrès ont été rendus possibles notamment en utilisant des rayons laserlaser avec des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques « compressées ». Il s’agit de techniques pour préparer un faisceau laser de photons en limitant au maximum le flou quantique résultant en particulier des fameuses inégalités de Heisenberg.
Ligo et la chasse aux ondes gravitationnelles II. 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 ». © LIGO Lab Caltech : MIT
Pour conclure cet article, rappelons un ouvrage destiné aux enfants, qui parle de l’astronomie des ondes gravitationnelles. On le doit à deux spécialistes réputées de cette nouvelle science : Tania Regimbau et Mairi Sakellariadou. Voici leur courte présentation de l'ouvrage.
« L'idée de ce livre est née sur une plage, à Nice, en septembre 2017, deux ans après la première détection des ondes gravitationnelles. Cette découverte a ébranlé le monde scientifique, étant la confirmation ultime de la théorie d'Albert Einstein mais également parce qu'elle a marqué le début d'une nouvelle ère en astrophysiqueastrophysique. La détection des ondes gravitationnelles a été récompensée par le prix Nobel de physique 2017.
Étant toutes deux membres de la collaboration qui a fait cette découverte, nous avons éprouvé le désir de la transmettre aux enfants. Nous avons alors imaginé un conte de l'espace mettant en scène deux étoiles jumelles qui s'aimaient tellement qu'elles ont fusionné pour rester toujours ensemble.
De là est née la première histoire de ce livre qui a marqué le début d'une nouvelle aventure pour nous, puisque trois autres histoires ont suivi... ».
