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La Terre pourrait servir à détecter des ondes gravitationnelles

ActualitéClassé sous :physique , onde gravitationnelle , sismomètre

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.

Vue d'artiste des ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu de l'espace-temps et rayonnées par un couple de trous noirs 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. © Kip Thorne (Caltech), Timothy Carnahan (Nasa GSFC)

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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