Les scientifiques des expériences LIGO et Virgo ont confirmé l'existence d'ondes gravitationnelles, prédites il y a cent ans par Albert Einstein.
Les Américains l'ont pris au sérieux jeudi :après une recherche de plus d'un quart de siècle, les physiciens ont enfin aperçu une onde gravitationnelle. Un jalon dans l'histoire de la physique, une énième confirmation de la théorie de la relativité d'Einstein, mais surtout :une nouvelle fenêtre sur notre univers.
David Reitze, le directeur de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO), a déclaré :"Nous les avons. Nous avons enfin pu les détecter, ces ondes gravitationnelles.» Reitze a immédiatement été applaudi par la presse massivement tournée. Il pouvait bien sûr déjà soupçonner Reitze d'annoncer rien de moins que cette découverte pionnière - les rumeurs avaient bourdonné toute la semaine.
La vraie nouvelle est donc arrivée juste après le moment Saddam/Oussama des physiciens américains :l'onde gravitationnelle repérée s'est avérée être le résultat de la collision et de la fusion de deux trous noirs, à 1,3 milliard d'années-lumière. Ce mariage cosmique a provoqué de si grandes oscillations dans le champ gravitationnel environnant - l'espace-temps, comme dirait Einstein - que son pic était juste assez fort pour être détecté sur Terre.
L'article de 1916 d'Albert Einstein dans lequel il suggérait l'existence d'ondes gravitationnelles.
Bien qu'il n'ait été rendu public que maintenant (l'article a été publié jeudi dans Astrophysical Journal Letters ), la découverte a eu lieu il y a six mois, le 14 septembre, à 22h51 heure belge et néerlandaise pour être précis. La scène était Hanford, État de Washington, et Livingston, Louisiane. "L'onde gravitationnelle a été détectée simultanément dans les deux détecteurs", a déclaré hier à Washington la porte-parole de Ligo, Gabriela González. "C'est important, car la grande distance entre les deux détecteurs exclut la possibilité qu'il s'agisse d'une perturbation locale."
Les deux détecteurs Ligo sont conçus de telle manière que la moindre vibration de l'espace-temps - son étirement ou sa contraction - est captée. Après tout, l'équipe internationale de physiciens et d'ingénieurs derrière Ligo (il n'y a pas que des Américains qui y travaillent) a passé des années à exclure les vibrations autres que les ondes gravitationnelles. González :"Le 14 septembre, nous avons donc pu mesurer une extension de l'espace d'un millième du diamètre d'un proton."
Les deux trous noirs tournent d'abord l'un autour de l'autre puis fusionnent en un gigantesque trou noir.
L'ensemble du signal d'onde gravitationnelle enregistré par Ligo - un flash de lumière - a été converti par l'équipe en un enregistrement sonore (retardé) pour le plaisir. "Nous pouvons maintenant entendre comment deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d'années", poursuit González. Mais comment les physiciens savent-ils réellement qu'ils ont affaire à deux trous noirs ? Après tout, ce n'est que la première fois dans l'histoire que nous avons pu voir – ou plutôt entendre – un événement cosmique d'une telle ampleur. "Le profil du signal, qui dure 20 millisecondes et a une course croissante, correspond exactement à la solution des équations de champ d'Einstein pour deux trous noirs fusionnés."
Pour être précis :avec un trou noir de 29 masses solaires et un des 36 équivalents de zone. Le diamètre des deux trous noirs est d'environ 150 kilomètres et le trou noir résultant pèse 62 soleils. En d'autres termes, lors de ce mariage cosmique, trois masses solaires ont été perdues. "Bien", dit González. "Cette matière et cette énergie ont été converties en ondes gravitationnelles." Tout cela aurait eu lieu quelque part dans le Petit Nuage de Magellan - une sorte de galaxies satellites de notre Voie lactée - qui fait partie de l'hémisphère sud.
La lumière ne passe pas partout et donc des morceaux de l'univers sont restés cachés jusqu'à présent. Les ondes gravitationnelles peuvent nous donner accès aux sombres secrets de l'univers. © NASA
La conversion du signal lumineux en un enregistrement sonore semble être un geste conscient de l'équipe Ligo. Après tout, ils veulent souligner l'importance de la découverte pour l'astronomie. Des recherches massives d'ondes gravitationnelles avec les deux détecteurs Ligo - et bientôt aussi le détecteur Virgo amélioré en Italie, le détecteur Kagra encore à construire au Japon et un prévu en Inde - permettront aux physiciens d'écouter d'autres signaux pour la première fois. puis lumière. L'astronomie, qui a commencé il y a quatre cents ans avec Galileo, a toujours dépendu des signaux électromagnétiques :lumière, ondes radio, rayons X, rayons gamma, etc. "Les ondes de gravité ouvrent une toute nouvelle fenêtre sur notre univers", déclare Kip Thorne, physicien théoricien au California Institute of Technology qui a aidé à fonder Ligo. (Joli détail :un journaliste a demandé hier lors de la conférence de presse si Thorne ne voudrait pas utiliser les ondes gravitationnelles dans une suite d'Interstellar, le film hollywoodien qu'il a coproduit et qui met en scène un trou noir.)
Le signal sonore (retardé) du mariage cosmique.
"Des événements violents tels que la fusion de deux trous noirs n'ont été que prédits, mais jamais observés", explique Gijs Nelemans, un astronome de la KU Leuven qui a participé avec son équipe à l'analyse de l'observation du 14 septembre. "C'est le début d'une nouvelle ère de l'astronomie. Nous découvrons une nouvelle façon de regarder l'univers et d'étudier les objets les plus extrêmes.» Cette nouvelle fenêtre est plus que bienvenue, car la lumière ne traversant pas tout, des parties de notre univers sont (et restent) cachées. De plus, il existe une chose telle que la matière noire, qui semble constituer la majorité de toute la matière de notre univers. "Les ondes de gravité peuvent nous donner accès à ces endroits sombres et secrets de l'univers", déclare Nelemans.
À la recherche d'ondes gravitationnelles :sur Terre…
Un détecteur pour mesurer les ondes gravitationnelles est généralement construit sous la forme d'un gigantesque L, avec des bras qui s'étendent sur des kilomètres (dans les deux Ligos, les bras mesurent quatre kilomètres, dans la Vierge trois kilomètres). Un faisceau de lumière laser est envoyé dans le L, qui, pourvu de lentilles et de miroirs, est divisé dans le coin du L. La moitié de la lumière va dans un bras, l'autre moitié dans l'autre.
Le détecteur LIGO à Hanford.
Le détecteur LIGO à Livingston.
Le détecteur Virgo à Pise.
Comme il y a aussi des miroirs aux deux extrémités du L, la lumière laser rebondit un grand nombre de fois. Au fil du temps, les deux faisceaux sont rejoints au sommet. Normalement, les faisceaux s'éteignent ensuite proprement (le L est conçu de telle manière que les deux faisceaux vibrent en phase opposée l'un par rapport à l'autre lorsqu'ils se rencontrent à nouveau). C'est ce qu'on appelle une interférence destructive. Au point d'angle, par conséquent, aucune lumière ne sortira de l'expérience. Cette configuration de test est bien connue en physique et est également connue sous le nom d'interféromètre.
Cependant, si une onde gravitationnelle arrive de l'univers (et peu importe qu'elle vienne d'en haut ou d'en bas, tout au long de la terre, comme ce fut le cas le 14 septembre), alors l'un des deux bras en L sont momentanément « étirés » (par la vibration dans l'espace-temps). Cela perturbe l'interférence des faisceaux laser et la lumière des deux bras ne s'éteint plus l'une l'autre. Un signal lumineux est créé au point d'angle et c'est le flash qui vous indique que le détecteur a mordu.
…et dans l'espace
Alors que la recherche sur Terre ne fait que commencer, des plans sont déjà sur la table pour rechercher des ondes gravitationnelles dans l'espace – avec des ambitions qui transcendent à plusieurs reprises l'expérience terrestre. Avec Lisa (l'antenne spatiale de l'interféromètre laser, photo ci-dessus), l'Agence spatiale européenne veut lancer un gigantesque détecteur capable de capter les ondes gravitationnelles les plus faibles. Le détecteur serait composé de trois satellites distants chacun, oui, de cinq millions de kilomètres. Le grand avantage de l'espace est qu'il n'y a pas de perturbations. Le lancement de Lisa est actuellement prévu pour 2034.
Après la découverte, les scientifiques sont-ils prêts ?
Bien sûr que non. Des plans sont déjà sur la table pour une expérience de suivi dans l'espace – avec des ambitions qui transcendent à plusieurs reprises l'expérience terrestre. Avec LISA (Laser Interferometer Space Antenna), l'Agence Spatiale Européenne veut lancer un gigantesque détecteur qui capte les ondes gravitationnelles les plus faibles. Le détecteur serait composé de trois satellites distants, oui, de cinq millions de kilomètres. Le grand avantage de l'espace est qu'il n'y a pas de perturbations. Le lancement de LISA est actuellement prévu pour 2034.
Parallèlement, une étude de conception est en cours pour un observatoire souterrain qui s'appellerait le télescope Einstein (voir photo ci-dessus) et qui rechercherait spécifiquement les ondes gravitationnelles. Parce que la sensibilité de ce détecteur est plusieurs fois plus élevée, le télescope Einstein observerait des dizaines de milliers de sources par an. Les recherches sismiques montrent que le sud de la province néerlandaise du Limbourg convient parfaitement à cette méga-installation souterraine.
