A la recherche de la musique de l'univers: ondes gravitationnelles

Il y a environ un milliard d'années, la Terre finissait la période géologique du Proterozoïque. La vie n'était pas complexe, mais il existait des organismes simples et notre atmosphère était remplie d'oxygène, la planète devenait idéale pour des organismes plus complexes.

Entre-temps, à l'autre bout de l'univers, deux énormes trous noirs de 30 km de rayon tournaient l'un autour de l'autre, faisant place à l'un des épisodes les plus violents de l'univers. La distance entre eux avoisinait les 350 km et les vitesses relatives étaient de 100.000 km/s. Il ne manquait qu'un moment (0,2 secondes) pour se cogner et former un seul trou noir. Comme ils se déplaçaient, ils produisaient de grandes déformations dans un espace continu. Si nous pouvions être témoins de ce processus, les intervalles de temps mesurés et les distances spatiales seraient réduits et croissants périodiquement à mesure que le champ gravitationnel s'adapte aux variations des trous noirs. Ce sont précisément les ondes gravitationnelles qui ont été émises par ces géants après quelques secondes. C'est alors que cette perturbation a commencé son voyage dans l'univers.

Pendant ce temps, notre atmosphère s'est stabilisée en formant des organismes vivants plus complexes sur terre. Parmi eux, il y a moins d'un million d'années, les humains, qui, dotés de pensées abstraites, ont commencé à construire des théories avec l'intention de comprendre la nature. Quant à la gravitation, au siècle dernier, nous avons beaucoup appris. En fait, l'existence d'ondes gravitationnelles n'a pas été acceptée jusqu'aux années 1950. Mais la plupart des scientifiques d'alors pensaient qu'il serait impossible de les détecter, leurs effets sont si petits. Cependant, l'histoire ne tarda pas à décourager ces scientifiques.

En fait, le 14 septembre 2015, deux détecteurs de LIGO (de l'anglais, Observatoire des ondes gravitationnelles par interférométrie laser) ont mesuré un signal : leurs bras de 4 km vibraient, étiraient et raccourcissaient. Ce changement de longueur était minime (moins que la taille d'un proton), mais mesurable avec la technologie développée pour LIGO. Après l'analyse du signal, une onde gravitationnelle formée par la collision entre deux trous noirs a été détectée. Le signal généré par ces deux trous noirs, après un long voyage, a fini par atteindre la Terre et en fait nous avons été témoins de son impact.

Relativité générale

En 1915, Albert Einstein a publié une nouvelle théorie pour décrire l'interaction gravitationnelle: la relativité générale [1]. Il décrivait parfaitement les effets jusque-là connus. Mais, en outre, la théorie cachait un certain nombre de conséquences inattendues. Parmi elles, les ondes gravitationnelles : les vibrations de l'espace-temps continu.

En se déplaçant dans le temps spatial déformé par le Soleil, la Terre réalise des orbites courbes au lieu de suivre des lignes droites. ED. : T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab.

Pour décrire l'interaction gravitationnelle, la relativité générale suppose que nous vivons dans un continuum en quatre dimensions. Les trois dimensions habituelles sont l'espace (profondeur, largeur et hauteur) et la quatrième le temps. Ce continuum se déforme lorsque nous y mettons l'énergie ou la masse. Comme lorsque nous mettons un poids au centre à un maillage élastique, si nous relâchons une balle sur le filet, celle-ci tombe dans le corps central, suivant un mouvement courbe. C'est ce qui arrive aux planètes quand elles se déplacent dans un temps spatial déformé par le Soleil. Au lieu de bouger correctement, ils exécutent des orbites courbes. Par conséquent, la relativité générale explique l'interaction gravitationnelle comme une déformation de l'espace-temps continu.

Quant aux ondes gravitationnelles, Einstein les prédit dans les années suivant la publication de sa théorie [2-3], et Oliver Heavid et Henri Poincaré ont donné à l'idée précédemment postulée [4-5] une formulation mathématique précise. Comme les charges électriques accélérées émettaient des ondes électromagnétiques (lumière), les masses accélérées devraient également émettre des ondes gravitationnelles. Lorsque les corps se déplacent, la déformation qu'ils produisent dans un temps spatial continu change, et ce changement se transmet à travers le continuum, comme les vagues qu'un bateau produit lorsqu'il se déplace dans la mer.

Mais les ondes gravitationnelles peuvent-elles chauffer un verre d'eau ?

Au cours des quatre décennies suivantes, il y avait un débat scientifique profond sur l'existence de ces ondes. Le formalisme mathématique de la relativité générale était si complexe qu'il était très difficile de en déduire des interprétations physiques claires. En résumé, la question était : Ces ondes qui se présentaient mathématiquement en théorie étaient physiques? C'est-à-dire qu'ils transportent de l'énergie ?

Einstein lui-même a changé plusieurs fois d'avis. En 1936, il a essayé de publier, avec son collaborateur Nathan Rosen, la démonstration mathématique qui niait l'existence d'ondes gravitationnelles. L'article n'a pas été approuvé dans la prestigieuse revue Physical Review, mais ses conclusions ont été modifiées et publiées dans une autre revue [6], concluant qu'elles ont alors trouvé un type d'onde spécial (aujourd'hui on les appelle ondes d'Einstein-Ros). Enfin, dans les années 1950, plusieurs physiciens ont obtenu des preuves théoriques indéniables de l'existence des ondes gravitationnelles [7-8].

La prochaine étape était la détection expérimentale de ces ondes. Les ondes les plus énergétiques se produisent lorsque des épisodes astrophysiques violents se produisent (dans la collision d'objets compacts ou au début de l'univers), en raison de la grande déformation du temps spatial. Mais il faut une précision énorme pour mesurer les déformations qui produisent ces ondes en arrivant sur Terre: La distance de la Terre à l'étoile la plus proche équivaut à la mesurer avec l'erreur de la largeur d'un poil. Cependant, dans les années suivantes, ces ondes ont été détectées dans deux expériences connues.

Bracelet Hulse-Taylor

Un pulsar émet un rayonnement à partir de ses pôles magnétiques. Sur l'image apparaît un pulsar qui tourne autour d'une autre étoile. Le système, en envoyant des ondes gravitationnelles, perd de l'énergie et diminue la distance entre les étoiles. ED. : ESO/L. Calçada.

Un pulsar est une étoile de très haute densité et de petite taille (rayon 10-100 km) qui tourne très vite autour de son axe (il faut quelques secondes pour faire un tour complet). Le champ magnétique qui l'entoure est très grand et émet un rayonnement électromagnétique (lumière). Ce rayonnement sort des pôles magnétiques, ce qui donne forme de phare à ces étoiles qui tournent et émettent deux rayons de lumière dans la direction opposée.

En 1974, les astronomes Russel Hulse et Joseph Taylor étudiaient une pulsar si typique. Il tournait chaque seconde 17 fois autour de son axe, normal parmi ces étoiles, de sorte qu'il avait une période de 59 millisecondes (intervalle entre deux impulsions). Ce pulsar a eu la particularité qu'il était en orbite autour d'une autre étoile.

En observant cela, il a été conclu que deux étoiles effectuaient des orbites elliptiques autour de leur centre de masse, mais que la distance entre les deux était également réduite. Pour que cette approche se produise, le système devait perdre de l'énergie, et la seule façon de le faire était d'émettre des ondes gravitationnelles. Ils ont testé cette hypothèse et ont constaté que les données expérimentales étaient parfaitement adaptées à la perte d'énergie prévue par la relativité générale [9]. Il est donc la première observation des ondes gravitationnelles, de sorte que Hulse et Taylor ont reçu le prix Nobel de physique de 1993.

Mesures par interférométrie

Mais l'observation de Hulse et Taylor ne fut pas directe, mais indirecte. Autrement dit, les ondes gravitationnelles ont été nécessaires pour expliquer la dynamique de ce système binaire, mais il n'y avait pas encore de dispositifs pour la détection.

Dans les années 1990, il a été proposé que les ondes gravitationnelles puissent être mesurées par interférométrie et plusieurs détecteurs ont été construits (LIGO aux États-Unis [10], VIRGO en Italie [11] et GEO-600 en Allemagne [12]). Tous se sont fondés sur le fait que les déformations relatives produites par les ondes gravitationnelles sont très petites, donc il faudra déformer quelque chose de très grand. Ainsi, les détecteurs sont formés par deux bras perpendiculaires de 3-4 km. En outre, un laser est utilisé pour mesurer avec précision la longueur de chaque bras. Le laser est envoyé du point de rencontre des bras et, une fois réfléchi dans un miroir situé à la fin de chaque bras, il revient à l'origine. Enfin, les rayons laser qui reviennent de chaque bras sont superposés. Tant que les longueurs des bras ne varient pas, le surnageant des rayons ne changera pas, mais lorsque la longueur change, il sera visible sur le profil qui génère la superposition.

Les images suivantes montrent les deux détecteurs d'ondes gravitationnelles de LIGO avec des bras de 4 km de longueur. Deux copies identiques ont été construites, l'une en Louisiane et l'autre à Washington, pour écarter les buissons qui peuvent causer des effets locaux. ED. : Caltech/MIT/LIGO Lab.

Telle est la théorie. Cependant, l'activité a dû résoudre de nombreux problèmes technologiques pour améliorer la sensibilité de ces détecteurs et détecter les ondes gravitationnelles. Après de nombreuses années de travail, l'équipe LIGO a finalement atteint en 2015 la sensibilité pour mesurer les ondes gravitationnelles et détecter directement la première onde gravitationnelle [13]. Ce résultat a été l'une des découvertes scientifiques les plus importantes du siècle dernier. En fait, le prix Nobel de physique 2017 a été décerné par les scientifiques Barry Barish, Kip Thorne et Rainer Weiss pour diriger ce projet.

Astronomie par ondes gravitationnelles

Jusqu'à présent nous avons observé l'univers à travers des ondes électromagnétiques (lumière visible, rayons infrarouges, rayons X, ondes radio...), mais nous étions sourds quant aux ondes gravitationnelles. Ce type d'ondes se produisent dans des phénomènes très énergétiques comme le choc entre les trous noirs ou les étoiles denses et le début de l'univers. En outre, ils se déplacent à travers la matière, avec une perte d'énergie très faible, de sorte que, malgré avoir traversé des ondes lointaines, des étoiles et des galaxies entières, ils viennent à nous avec leur forme originale pratiquement inaltérée.

Nous espérons que ces ondes seront détectées systématiquement dans les prochaines décennies. Son analyse nous permettra d'obtenir des informations très utiles sur les processus les plus violents de l'univers et d'étudier les propriétés de base de l'espace-temps continu. Il ne manquera certainement pas de surprises.

Bibliographie Bibliographie

Travail présenté aux prix CAF-Elhuyar.