Ligo, l'acronyme de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, en anglais, nous a permis de détecter l'onde gravitationnelle produite par la collision puis la fusion de deux trous noirs d'environ 30 masses solaires chacun. Mais à quoi aurait ressemblé visuellement l'événement pour des observateurs à quelques milliers de kilomètres ? Des simulations numériques nous permettent de le découvrir. L'image ci-dessus, avec des effets de lentille gravitationnelle, est extraite de l'une d'elles. © SXS (Simulating eXtreme Spacetimes project)
Sciences

RétroFutura : la chasse aux ondes gravitationnelles depuis 20 ans

ActualitéClassé sous :ondes gravitationnelles , relativité générale , nouvelle physique

[EN VIDÉO] 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. 

Les 20 ans de Futura sont l'occasion de revenir sur la découverte des ondes gravitationnelles dont la chasse avec les détecteurs Ligo et Virgo avait débuté au cours de la première décennie de ce XXIe siècle. Cet article reprend donc des développements et des explications que l'on peut trouver dispersés dans les nombreux articles que Futura a consacrés à l'essor de l'astronomie gravitationnelle.

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L'année 2001 n'a malheureusement pas été l'occasion de la découverte d'un monolithe noir par une équipe états-unienne de la base lunaire permanente de Clavius mais heureusement tout de même celle de l'arrivée dans le cyberspace de Futura-sciences, désormais appelé Futura qui a bien grandi.

On s'attendait raisonnablement à ce que les deux décennies qui allaient suivre soient marquées par des découvertes révolutionnaires avec, en tout premier lieu, le LHC mais aussi la mission Planck. Mais force est de reconnaître que malgré des résultats spectaculaires, c'est l'ouverture de l'ère de l'astronomie gravitationnelle qui apparaît rétrospectivement comme l'événement dominant en physique et en astrophysique. Sauf bonnes surprises avec le LHC, dans ses versions upgradées à haute luminosité, c'est également celui qui apparaît comme le plus prometteur pour les deux décennies qui vont suivre l'anniversaire des 20 ans de Futura que nous célébrons cette année. C'est d'ailleurs la thèse que défendait le regretté Pierre Binetruy.

L'un des pionniers de la découverte des ondes gravitationnelles, le prix Nobel de Physique Kip Thorne nous explique cette découverte et son parcours l'ayant mené à la rendre possible dans cette vidéo. Une autre vidéo en fin d'article donne plus de détails et rend aussi hommage à Cécile DeWitt-Morette. 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 ». © Caltech

De 2001 à 2020, nous avons eu de multiples occasions de rendre hommage à Einstein, déjà par l'anniversaire des 50 ans du laser dont il est à l'origine par ses travaux sur la théorie quantique, mais aussi lors du centenaire de sa théorie de la relativité générale qui est probablement la plus belle des théories physiques découvertes par l'humanité. Elle a fasciné des générations de théoriciens en physique et continue de le faire encore aujourd'hui. Le grand prix Nobel de physique russe Lev Landau faisait même de cette fascination le trait révélateur d'un futur physicien théoricien chez un étudiant en physique.

Pendant longtemps la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein semblait issue de l'Olympe des dieux grecs, mais elle peinait à passer les contraintes bien terrestres des observations expérimentales et surtout à trouver des applications fondamentales en astronomie et astrophysique pour être considérée comme une théorie physique bien établie et utile, détrônant la théorie de la gravitation de Newton. La détection des ondes gravitationnelles directement sur Terre par les membres de la collaboration Ligo et Virgo a achevé de changer à jamais tout cela. Elle a été annoncée en février 2016 accompagnée d'une salve de publications sur arXiv parlant de GW150914.

Ce nom énigmatique désignait tout simplement la première détection sur Terre de la « lumière gravitationnelle » (gravitational wave en anglais pour onde gravitationnelle, à ne pas confondre avec les ondes de gravité qui sont des ondes dans des fluides et en rien reliées à un espace-temps courbe), le 14 septembre 2015 - d'où le 150914. Elle avait été émise à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Voie lactée lors de la fusion de deux trous noirs massifs (d'environ 30 masses solaires chacun).

Les principes de l'astronomie gravitationnelle qui ont permis d'envisager puis de concrétiser cette découverte ne sont pas nouveaux. Ils remontent aux travaux d'Einstein de 1916 à 1918, lorsqu'il a montré qu'en raison d'analogies entre le champ de gravitation, dans sa théorie de la relativité générale, et celui du champ électromagnétique, qui conduit à l'émission d'ondes lorsque des charges sont agitées, certaines configurations de corps matériels en mouvement doivent produire des oscillations du tissu de l'espace-temps courbe : des ondes gravitationnelles donc. Ce devrait notamment être le cas lorsque des étoiles explosent en supernovae de façon non sphérique, ou encore et surtout quand deux astres compacts en orbite, comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs, forment un système binaire.

Le témoignage de Thibault Damour, médaille d'or 2017, sur la physique et la détection des ondes gravitationnelles. © CNRS

Les ondes gravitationnelles ne sont arrêtées par rien

Dans cette dernière éventualité, la perte d'énergie sous forme de rayonnement gravitationnel devrait conduire ces objets à se rapprocher jusqu'à la collision. Le processus fait alors naître un trou noir à partir du système binaire, processus s'accompagnant d'une émission copieuse d'ondes gravitationnelles. La naissance même de l'Univers observable, accompagnée de phénomènes à hautes énergies et de certains fossiles exotiques qu'ils pouvaient laisser, comme les cordes cosmiques, devrait également conduire à la génération d'ondes gravitationnelles observables par Homo sapiens.

Or, celles-ci constituent d'excellentes sondes. Les ondes électromagnétiques, elles, sont facilement absorbées par la matière (comme des nuages de gaz riches en poussières), ce qui nous empêche par exemple de détecter certaines supernovae dans la Voie lactée, de voir l'intérieur des étoiles ou encore d'avoir un regard sur l'Univers avant la recombinaison qui a conduit à l'émission du rayonnement fossile, quand le cosmos est devenu transparent, environ 380.000 ans après le Big Bang. Avant, tout comme dans le cas du Soleil, le contenu de l'Univers était trop dense pour que la lumière puisse voyager librement. En revanche, rien n'arrête les ondes gravitationnelles et elles peuvent donc nous renseigner sur ce qui se passe lorsque l'espace-temps est particulièrement courbé et dynamique. La « lumière gravitationnelle », comme l'explique Jean-Pierre Luminet sur son blog chez Futura, constitue donc une fenêtre sur l'Univers relativiste d'Einstein dans ce qu'il a de plus spectaculaire et de plus fondamental : la physique du Big Bang et des trous noirs.

Il n'est donc pas étonnant que les astrophysiciens et les cosmologistes cherchaient depuis presque 50 ans à se doter des yeux qui nous permettraient de percer de nouveaux secrets de l'univers observable. Ils savent que devrait en découler une révolution comparable à celle qu'a représentée pour la médecine et la biologie moléculaire la découverte des rayons X.

Ces yeux s'appellent aujourd'hui Ligo aux États-Unis et Virgo en Italie. Le premier détecteur a commencé ses observations en 2002 et le second essentiellement à partir de 2007. Mais les plus performants sont encore à venir. Il s'agit du projet eLisa (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) de l'Agence spatiale européenne destiné à l'observation des ondes gravitationnelles de basses fréquences depuis l'espace. Remarquablement, c'est justement en utilisant des lasers que ces détecteurs peuvent détecter ces ondes. Einstein a donc fourni théoriquement les bases permettant d'observer une autre de ses prédictions théoriques. N'oublions pas tout de même que l'on cherchait déjà dans les années 1960/1970 à détecter directement sur Terre les ondes gravitationnelles mais avec une tout autre technique, celle dite des barres de Joseph Weber, des blocs métalliques élastiques capables d'entrer en résonance en se déformant au passage de ces ondes.

Reste que nous n'avions jusqu'à présent que des preuves indirectes de l'existence de ces ondes, fournies par la radioastronomie et l'étude des pulsars binaires.

Ces preuves étaient suffisamment sérieuses pour qu'un prix Nobel de physique ait été attribué aux radioastronomes Russell Hulse et Joseph Taylor en 1993, pour leur découverte du pulsar PSR B1913+16 en 1974 et les études qu'ils ont menées avec lui pour tester les prédictions de la relativité générale, notamment en utilisant les calculs du physicien théoricien français Thibault Damour, actuellement professeur permanent de physique théorique à l'Institut des hautes études scientifiques (IHES).

Rappelons à ce propos qu'en Europe, c'est le physicien Alain Brillet, maître de la physique des lasers, qui a été l'un des architectes de la collaboration Virgo, et en particulier à l'origine de ce détecteur européen d'ondes gravitationnelles. Thibault Damour, lui, l'un des grands maîtres de la théorie de ces ondes et de la physique des trous noirs, a usé de son prestige pour pousser à la construction de Virgo et, surtout, a joué un grand rôle par ses travaux avec ses collègues dans la détermination de la forme du signal à chercher avec Virgo.

Il y a quelques années, lors d'une attribution conjointe d'une médaille d'or, un très bel article du Journal du CNRS détaillait le parcours des deux chercheurs, dont on a de bonnes raisons de penser qu'ils pourraient recevoir le prix Nobel de physique tant leurs travaux et leurs réussites sont exemplaires. De fait, plusieurs chercheurs français ayant décroché la médaille d'or du CNRS se sont vu attribuer le prix Nobel ou son équivalent en mathématique, la médaille Fields, comme Serge Haroche et Alain Connes.

Le témoignage d'Alain Brillet, médaille d'or 2017. © CNRS

Les ondes gravitationnelles, une clé de la physique des trous noirs

C'est probablement au niveau des trous noirs que les espoirs sont les plus importants en ce qui concerne l'apport de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Il s'agit d'abord de démontrer qu'ils existent vraiment et de vérifier le cas échéant qu'ils sont bien décrits par la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein.

Certains physiciens ont en effet proposé des alternatives à la théorie des trous noirs, en supposant que ceux observés sont des astres particulièrement compacts mais rigoureusement privés d'un horizon des évènements (rappelons que c'est uniquement l'existence d'un tel horizon enveloppant une région de l'espace-temps par une surface fermée et d'où aucun corps, que ce soit un atome ou un photon, ne peut s'échapper, qui définit un trou noir).

L'hypothèse la plus célèbre à ce sujet est celle des gravastars, proposée par deux physiciens américains, Emil Mottola, du Los Alamos National Laboratory, et Pawel Mazur, de l'université de Caroline du Sud. Elle suppose qu'une étoile ne peut pas s'effondrer gravitationnellement jusqu'à devenir un trou noir, mais que sa matière se transforme en une sorte de condensat de Bose-Einstein formant une coquille dont le rayon est supérieur au rayon du trou noir déterminé par la masse de cette étoile.

Cette hypothèse est tirée par les cheveux et elle n'est généralement pas prise au sérieux, sauf par quelques physiciens. Mais toute démarche scientifique saine impose de ne pas tenir pour acquis l'existence d'un horizon des évènements et de chercher des moyens pour tester son existence.

La détection des ondes gravitationnelles a donné jusqu'à présent des signaux, dont l'analyse par comparaison avec une large bibliothèque de cas générés sur ordinateur avec différentes valeurs de masse et de moment cinétique (les paramètres déterminant de façon rigoureuse et exacte une solution des équations d'Einstein décrivant un trou noir) a déjà corroboré grandement l'existence des trous noirs.

Mais une preuve vraiment indiscutable semble ne pouvoir venir que de la détection de ce que l'on appelle les modes quasi-normaux des trous noirs. Futura a consacré un long article à ce sujet car ces modes commencent en effet à pointer le bout de leur nez.

La surface de l'horizon des événements d'un trou noir, de Schwarzschild ou de Kerr, est parfaitement lisse, sphérique. Mais elle se déforme temporairement en devenant bosselée lorsqu'un trou noir absorbe un objet, par exemple un astéroïde, ou lors d'une collision avec un autre trou noir. Surtout, un tel horizon peut vibrer, avoir donc l'équivalent des modes normaux de la surface d'un tambour, en émettant des ondes gravitationnelles avec un spectre caractéristique. Les trous noirs peuvent par conséquent se comporter comme des atomes émettant de la lumière à la suite d'un choc et le spectre des ondes gravitationnelles produit permet donc non seulement de déterminer la masse et la vitesse de rotation d'un trou noir, mais surtout de prouver qu'il y a bien un horizon des événements.

La saga de la détection de GW170817. 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 ». © Science vs Cinema

Les kilonovae, des émetteurs d'ondes gravitationnelles, gamma et X

En attendant une accumulation d'observations avec Ligo et Virgo afin d'obtenir une solide démonstration, les deux détecteurs ont déjà permis de valider le modèle proposé pour rendre compte d'un des deux types des fameux sursauts gamma, les gamma-ray bursts (GRB) en anglais. Les GRB courts - c'est-à-dire ceux durant quelques secondes tout au plus, par opposition aux sursauts longs durant plus longtemps - étaient interprétés comme des collisions d'étoiles à neutrons. On va désigner l'explosion qui en résulte sous le terme de kilonova à partir de 2010 et des signatures spécifiques avaient été envisagées.

Une kilonova est environ 1.000 fois plus lumineuse qu'une nova provoquée par une explosion thermonucléaire récurrente à la surface d'une naine blanche accrétant de la matière alors qu'une supernova est environ 100 fois plus brillante qu'une kilonova. On a détecté des candidats au titre de kilonova depuis le début des années 2000 et notamment en 2013. Mais il a fallu attendre l'essor de l'astronomie gravitationnelle et la détection en 2017 de la source GW 170817 par Ligo et Virgo pour conclure que l'on avait vraiment observé pour la première fois une kilonova et que le sursaut gamma court associé, GRB 170817A, détecté à la fois par les satellites Fermi et Integral, était bel et bien le produit d'une collision entre deux étoiles à neutrons.

Les ondes gravitationnelles mesurées par les deux détecteurs avaient en effet permis de localiser la collision sur la voûte céleste où la contrepartie en gamma avait été trouvée. Un beau succès illustrant tout le potentiel d'une astronomie multimessager combinant les signaux électromagnétiques et gravitationnels pour étudier des phénomènes astrophysiques (notons que l'astronomie des neutrinos peut elle aussi se combiner aux ondes électromagnétiques et gravitationnelles, par exemple pour établir la naissance d’un trou noir stellaire via le détecteur de l'expérience Deep Underground Neutrino Experiment : Dune).

Comme le montre ce schéma, remonter dans le temps pour s'approcher d'un hypothétique temps zéro du Big Bang revient à vouloir regarder à travers la surface du Soleil pour voir son centre où naissent de nouveaux éléments. Tout au plus peut-on remonter environ 380.000 ans après ce Big Bang avec du rayonnement électromagnétique mais la matière est ensuite opaque plus tôt. Ce n'est pas le cas pour les ondes gravitationnelles qui pourraient nous renseigner sur une phase d'accélération violente de l'espace appelée l'inflation comme on peut le voir sur ce schéma. © National Science Foundation (Nasa, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, related) - Funded BICEP2 Program

Détectera-t-on les ondes gravitationnelles du Big Bang ?

Il n'y a pas eu que des succès au cours de la chasse aux ondes gravitationnelles en ce premier quart du XXIe siècle. Futura avait parlé dans plusieurs articles de la « bombe » lancée le 17 mars 2014 par les membres de la collaboration Bicep (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Ils avaient annoncé qu'après trois saisons d'observations au pôle Sud d'une région du ciel (le southern galactic hole) et des mois passés à éliminer des sources d'erreurs possibles, ils pensaient avoir détecté et mesuré les modes B de l'inflation. Il s'agit d'une polarisation particulière de la plus vieille lumière de l'Univers, celle du rayonnement fossile, qu'auraient provoquée les ondes gravitationnelles générées lors d'une phase très primitive de l'histoire du cosmos observable. Durant cette période, le tissu de l'espace aurait subi une dilatation gigantesque, d'où le nom d'inflation.

« Si la découverte des ondes gravitationnelles de l'inflation venait à être confirmée, ce serait une révolution en cosmologie et elle mériterait l'attribution d'un prix Nobel », nous expliquait alors en août 2014 Max Tegmark, cosmologiste mondialement réputé, qui a contribué à la mise au point des outils d'analyse des observations du rayonnement fossile par le satellite Planck. Lors de l'interview qu'il nous avait accordée, il nous avait rappelé que les théories proposées pour décrire cette phase de l'univers primordial conduisaient naturellement à la notion d'inflation éternelle et, avec elle, à l'existence d'un multivers.

L'un des membres de la collaboration Bicep, le Français Denis Barkats, nous avait permis de vivre de l'intérieur l'extraordinaire aventure qui l'avait conduit lui et ses collègues en Antarctique, au seuil de ce qui semblait l'un des Graal de la cosmologie moderne : une preuve convaincante de la théorie de l'inflation. Mais les observations de la mission Planck ainsi que de celle de Keck Array, une autre expérience menée au pôle Sud, ont par la suite réfuté cette découverte.

Ligo et Virgo vont continuer à faire des observations. Ils ont été rejoints par le détecteur japonais Kagra, notamment à l'occasion de la première découverte des ondes générées par la collision d'un trou noir avec une étoile à neutrons, et dans un futur proche entrera dans la danse Ligo-India. Ces machines devraient continuer également à nous permettre de rechercher une nouvelle physique, par exemple celle des supercordes ou des cordes cosmiques (gardons à l'esprit que si certaines cordes cosmiques envisagées sont des supercordes, d'autres n'en sont pas).

Enfin, à l'horizon 2030, eLisa devrait entrer en service. Le détecteur sera cette fois-ci dans l'espace. Il permettra d'aller encore plus loin que Ligo et Virgo pour répondre à des questions comme : La gravité voyage-t-elle à la vitesse de la lumière ? Le graviton a-t-il une masse ? Quelle est la structure de l'espace-temps juste à l'extérieur des trous noirs astrophysiques ? Sont-ils décrits par la métrique de Kerr, comme prédit par la théorie d'Einstein ? Et bien d'autres choses encore.

Rencontre avec Kip Thorne le 17 octobre 2019, prix Nobel de physique 2017, qui nous parle de sa trajectoire l'ayant mené à l'étude théorique des ondes gravitationnelles puis de leur détection. 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 ». © Université Grenoble Alpes


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