De nouvelles fenêtres à l'univers

« Messieurs, nous avons détecté des ondes gravitationnelles. Nous l'avons fait ! » a annoncé le directeur exécutif de LIGO, David Reitze, en février 2016, la conférence de presse pour communiquer la découverte. “Nous avons eu besoin de mois pour savoir qu'ils étaient vraiment des ondes gravitationnelles, mais la chose la plus excitante est maintenant. Nous ouvrons une fenêtre sur l’univers.»

Il se réfère à la fenêtre la plus importante qui a été ouverte ces dernières années. « Conceptuellement, c’est une toute nouvelle fenêtre, affirme l’astrophysique de l’ESO, Miguel Querejeta, entre autres parce qu’il a vérifié qu’en dehors du spectre électromagnétique, il est possible d’étudier l’astronomie. »

Pour la première fois, ils ont réussi à détecter les ondes gravitationnelles à l'observatoire LIGO (États-Unis). Les ondes annoncées par Einstein cent ans plus tôt ont été mesurées en direct pour la première fois. Il n'était pas peu affirmer la théorie d'Einstein, mais cette découverte a été beaucoup plus. « Technologiquement, cela a été un énorme succès – souligne le cosmologo de l’UPV-EHU Jon Urrestilla Urizabal – qui mesure [déformation produite par les ondes gravitationnelles dans les bras de l’interféromètre] 10.000 fois moins qu’un proton. Et quand nous mesurons quelque chose de si petit, nous mesurons la danse que nous faisons deux trous noirs très éloignés en fusionnant.»

C'était le premier spectacle qui a été vu depuis cette fenêtre: le choc entre deux trous noirs. « On pensait que les premiers à voir seraient des étoiles à neutrons. Nous pensions qu’il y avait beaucoup plus d’étoiles à neutrons que de trous noirs, et les quatre premières détections étaient les plus noires », explique Urrestilla. « En outre, des masses de ces trous noirs qui n’étaient pas typiques ont été mesurées. Par conséquent, nous devons maintenant penser pourquoi il ya plus de trous noirs que nous pensons et comment ces trous noirs sont créés”.

Regardant par plusieurs fenêtres

Le 17 août 2017, les étoiles à neutrons sont arrivées. Il s'agit de la cinquième fois que des ondes gravitationnelles étaient détectées et que LIGO et VIRGO (Italie) ont été détectées récemment. De plus, d'autres fenêtres ont pu observer le choc des étoiles à neutrons. À 1,7 seconde de l'arrivée des ondes gravitationnelles sont arrivés les rayons gamma, suivis des rayons X, ultraviolets, optiques, infrarouges et ondes radio. « Cela a été impressionnant — souligne Urrestilla —, nous arrivant les ondes gravitationnelles et électromagnétiques provenant du même processus que nous avons vu pour la première fois. »

L'interféromètre VIRGO (Italie) est entré en service en août 2017. Cela a considérablement amélioré la fenêtre ouverte par les deux autres interféromètres de l'observatoire LIGO (États-Unis). ED. : The Virgo collaboration/CCO 1.0.

Cette observation a redonné raison à Einstein. Et c'est qu'il ya des théories qui proposent de changer la théorie d'Einstein, f(R) théories, pour tenter d'expliquer l'énergie et la matière noire, entre autres. Beaucoup de ces théories prédisent que les ondes gravitationnelles et la lumière sont des vitesses différentes. Selon Einstein sont égaux. Car cette observation a montré qu'Einstein avait raison. « Par conséquent, ces théories f(R) ne servent pas ; il est devenu clair que la voie pour comprendre la matière et l’énergie noire n’est pas celle », explique Urrestilla.

D’autre part, «pour comprendre ce qui se passe dans un choc des étoiles à neutrons, en plus des théories d’Einstein, une physique à haute énergie est nécessaire», a ajouté le cosmologo. Et dans ce cas, ce qui est prévu a également été accompli: « Les simulacres disaient qu’en cas de choc entre deux étoiles à haute densité, il faudrait un temps pour enlever les rayons gamma, et c’est précisément avec la différence de temps que les ondes gravitationnelles et les rayons gamma sont arrivés. Les ondes gravitationnelles ont donné raison à Einstein et à la physique de haute énergie».

Querejeta coïncide pleinement avec l'importance de cette observation, soulignant deux résultats importants qu'elle a donné: « D’une part, les explosions de rayons gamma étaient un mystère, nous ne savions pas quels phénomènes physiques produisaient, en particulier les petites explosions de rayons gamma. Et cela confirme qu'il produit des collisions de deux étoiles à neutrons. D’autre part, nous pensions que le processus de synthèse de certains éléments lourds (processus R) se produisait en supernœuds, mais cela a montré que la plupart se produit dans le choc des étoiles à neutrons.»

Les premiers regards depuis la fenêtre des ondes gravitationnelles ont donné des résultats importants, mais presque tout peut être à découvrir. Il faudra aussi apprendre à regarder de cette fenêtre. « Nous ne savons pas ce que nous pouvons trouver, dit Querejeta, nous pouvons nous attendre à ce qu’il ne soit pas attendu ». Urrestilla le croit aussi: « Nous verrons certainement de nouvelles choses que nous n’imaginons pas ».

Le télescope spatial James Webb est prêt à attendre la date de sortie. Il est en retard encore et encore, mais une fois mis en place, vous verrez le jeune univers. ED. : NASA/Desiree Stover.

Améliorer les fenêtres existantes

Celle des ondes gravitationnelles n'est pas la seule fenêtre qui nous montrera de nouvelles choses. Par exemple, la fenêtre préférée de Querejeta est ALMA: “Depuis que j'ai commencé en astronomie, j'ai travaillé avec les ondes radio, et dans ce sens ALMA est une fenêtre unique. En ce moment je travaille avec les données prises par EUSKALTEL et ce sont des données vraiment excellentes».

ALMA, située dans le désert d'Atacama (Chili) à 5000 mètres de haut, est un radiotélescope de 66 antennes. Il a commencé en 2011 avec quelques antennes, mais il y a quelques années, ils ont lancé toute la gamme d'antennes. Avant l'ALMA, le plus grand télescope opérant sur ces longueurs d'onde était le NOEMA (Plateau de Bure, France), avec 7 antennes. « Il y a beaucoup de différence, dit Querejeta, elle a beaucoup plus de précision et nous pouvons analyser des objets beaucoup plus éloignés. »

Il détecte le gaz et la poussière. D'une part, il peut détecter des galaxies et des quasars très éloignés et, d'autre part, analyser avec une grande précision les disques protoplanaires ou les nébuleuses dans lesquelles naissent les étoiles. « Le processus de naissance des étoiles est l’une des questions les plus importantes sans réponse en astrophysique », se souvient Querejeta. « D’où nous attendons des résultats importants. Il en a déjà donné certains, par exemple, qui ont détecté directement le disque d’accentuation entourant une étoile et les planètes qui y sont créées.»

Miguel Querejeta Pérez. ESO astrophysique de l'Observatoire de l'hémisphère sud de l'Europe.

Dans le domaine des ondes radio il y a une autre fenêtre très spectaculaire. Dans le sud-est de la Chine, l'été 2016 a pris fin le radiotélescope FAST, la plus grande antenne parabolique au monde. Il a un diamètre de 500 m et une hauteur de 140 m. Pour éviter les interférences, 9.000 habitants de la région ont dû partir. Dans ce cas, cependant, il est possible que la fenêtre elle-même soit plus visible que celle que vous verrez de là. Ainsi croit Querejeta: “FAST est superlatif, car il est plus grand que le monstre d’Arecibo [il a 300 m celui d’Arecibo]. Cela peut être utile, mais il me semble difficile qu'il y ait de grandes révolutions. En définitive, l’interféromètre VLA, par exemple, obtient une plus grande précision dans les mêmes longueurs d’onde.»

D'une fenêtre beaucoup plus petite et simple, un résultat spectaculaire a été obtenu en février dernier dans le projet EDGES. Avec un radiotélescope de la taille d'une table basse installée dans le désert australien, ils ont réussi à recevoir le signal des premières étoiles. À 180 millions d'années de Big Bang, signal donné par les atomes d'hydrogène, a montré que les premières étoiles étaient créées pour cette époque et que l'univers était beaucoup plus froid que prévu. «C’est une idée ingénieuse et ils ont obtenu un résultat vraiment beau», dit Querejeta.

Ouvertes

Une autre fenêtre que Querejeta a construit mais qui manque à mettre en place est: “Le télescope spatial James Webb (JWST) est le dernier trésor de la NASA”. Bien que cette année allait être en cours, le lancement a été retardé, mais tout est prêt. « Il est certain que dès sa sortie, il commencera à faire des observations intéressantes. » Fonctionne à l'infrarouge avec une grande capacité de détection. D'une part, il s'agit d'analyser la naissance des étoiles et des planètes, car les nébuleuses et les disques protoplanaires sont pleins de poussière, et la poussière en se chauffant émet la majeure partie de l'énergie sur les ondes infrarouges. D'autre part, la lumière visible et ultraviolette émise par des galaxies très éloignées nous arrive dans l'infrarouge (par effet Doppler), ce qui permettra de voir le jeune univers. « On verra des galaxies créées quand l’univers avait environ un milliard d’années », explique Querejeta.

Jon Urrestilla Urizabal. Cosmologo de l'UPV.

Et parmi les fenêtres en construction il y a deux autres remarquables, selon Querejeta : «D’une part, l’interféromètre SKA, capable de voir le gaz atomique, et de l’autre, l’ELT, qui fonctionnera en onde visible, quatre fois plus grand que le plus grand télescope de ce type actuel.»

Urrestilla rêve d'une autre fenêtre qui manque encore beaucoup à construire, LISA. L'interféromètre LISA est un projet de l'ESA et de la NASA qui, comme LIGO et VIRGO, détecterait des ondes gravitationnelles mais à une autre fréquence. En fait, comme dans les ondes électromagnétiques nous avons ultraviolet, visible, infrarouge, etc., les ondes gravitationnelles sont également fréquentes. Les interféromètres que nous avons maintenant ne peuvent détecter que des ondes gravitationnelles avec leurs bras de trois ou quatre kilomètres.

LISA serait formée de trois vaisseaux spatiaux discoïdaux qui seraient placés dans l'espace. Les trois disques, formant un triangle équilatéral, se situeraient à 2,5 millions de kilomètres entre eux, et par l'envoi de rayons laser on mesurerait cette distance avec une grande précision, en détectant le changement produit par les ondes gravitationnelles. C'est un grand défi technologique. « C’est difficile, mais l’expérience avance, explique Urrestilla, déjà l’ESA a mis en orbite un de ces disques, LISA Pathfinder, pour tester la technologie. Et dans 20-30 ans on attend que LISA soit en orbite».

Regardant de plus en plus loin

LISA détecterait les ondes gravitationnelles générées dans l'inflation. «Ce serait une fenêtre immense pour la cosmologie parce que nous verrions comment était l’univers initial», souligne Urrestilla.

L'observatoire IceCube a ouvert la fenêtre des neutrinos au pôle Sud. Les 5000 capteurs immergés sous glace forment un réseau d'un kilomètre carré. Ceci et plus est nécessaire pour capturer des neutrinos fugaces. ED. : Sven Lidstrom, IceCube/NSF.

Vous ne pouvez voir si loin de la fenêtre des ondes gravitationnelles. En fait, l'univers au début était libre de tous les électrons et photons, se heurtant constamment entre eux. Dans cette situation, les photons pouvaient faire un chemin très court, il n'est donc pas possible que les photons de cette époque (ondes électromagnétiques) viennent à nous. Cependant, quand l'univers avait environ 300.000 ans, les électrons ont été pris dans les atomes, et puis les photons sont sortis droits. Nous détectons les photons de l'époque comme rayonnement micro-ondes de fond. Nous ne pouvons pas voir les photons précédents mais les ondes gravitationnelles.

Et parmi eux se trouvent les neutrinos. Comme les photons, au début, les neutrinos ne pouvaient pas échapper, mais un moment arrive où les neutrinos commencent à s'échapper, et c'est ce qui se passe bien avant les photons. «La fenêtre des neutrinos est aussi très intéressante, dit Urrestilla, de la même manière que nous avons le rayonnement micro-ondes de fond, il y aurait un fond de neutrinos, mais bien avant.»

Le problème est que détecter les neutrinos est très difficile parce qu'ils ont à peine interaction avec la matière. « C’est l’avantage et l’inconvénient des neutrinos », explique Urrestilla. L'avantage est qu'ils peuvent sortir directement de la source et voyager pendant des millions d'années de lumière sans dévier, et l'inconvénient est qu'ils n'interagissent pas non plus avec nos appareils et sont donc très difficiles à détecter.

Cependant, bien que rarement, les neutrinos heurtent parfois un atome. Les jeans neutres en profitent, comme l'Observatoire IceCube au Pôle Sud. IceCube est un réseau immergé dans la glace composé de 5000 capteurs de lumière et une surface d'un kilomètre carré. Ces capteurs détectent la lumière émise lors du choc d'un neutrino avec un atome de glace. Il détecte très peu de neutrinos, mais quelques observations importantes ont été faites en juillet dernier: Certains neutrinos de grande énergie arrivés à IceCube ont appris qu'ils provenaient d'une galaxie située à 3,7 milliards d'années-lumière. Il semble qu'une nouvelle fenêtre avec des neutrinos a été ouverte.