Le prix Nobel de physique 2017 est décerné à Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne pour leurs contributions au détecteur LIGO et à l'observation des ondes gravitationnelles. Quelles sont ces ondulations dans l'espace-temps de toute façon ?
Les sources les plus probables d'ondes gravitationnelles sont la fusion des étoiles à neutrons. Ce sont des étoiles mortes qui étaient plus de trois fois plus massives que notre soleil au cours de leur vie et qui ne sont plus constituées que de neutrons. La densité d'une telle étoile est énorme :une cuillère à café d'étoile à neutrons pèse facilement un milliard de tonnes. Parfois, les étoiles à neutrons apparaissent comme des jumelles :les deux étoiles tournent alors l'une autour de l'autre très rapidement.
La théorie générale de la relativité d'Einstein dit qu'ils perdent de l'énergie dans le processus, les faisant tourner lentement l'un vers l'autre, ce qui entraîne un coup massif à la fin. L'ensemble du processus de rotation et la fusion éventuelle produisent des changements si importants dans le champ gravitationnel local qu'une explosion d'ondes gravitationnelles se produit pendant une courte période de temps - si la théorie est correcte, bien sûr.
Une autre source d'ondes gravitationnelles peut faire (encore) plus appel à l'imagination. Car non seulement les étoiles à neutrons apparaissent parfois comme des jumelles, mais les trous noirs forment aussi parfois un couple. Lorsqu'ils fusionnent, un événement cosmique encore plus puissant se produit. Assez puissant pour produire des ondes gravitationnelles qui peuvent être détectées à une distance immense.
Les physiciens sont depuis longtemps convaincus de l'existence des ondes gravitationnelles, mais ils n'ont pas encore pu les observer directement. Avec LIGO, qui signifie Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, les physiciens veulent capter les ondes dites gravitationnelles. Le montage de l'expérience LIGO :lorsqu'une telle onde gravitationnelle passe devant notre planète, elle provoque une perturbation dans le gigantesque détecteur qui ne passe pas inaperçue. Parallèlement, des techniciens en Europe, plus précisément à Pise en Italie, travaillent sur le détecteur Virgo, précise l'homologue européen de LIGO.
LIGO et Virgo ont tous deux leur première vie. Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont cherché à savoir si ces détecteurs étaient capables de détecter des ondes gravitationnelles - la preuve du principe, en d'autres termes. Les innovations actuelles étaient déjà prévues bien avant la construction de LIGO et Virgo. Grâce à ces mises à jour, Advanced LIGO et Advanced Virgo, les nouvelles versions ont une sensibilité dix fois supérieure à la version précédente.
"Un détecteur dix fois plus sensible nous fait regarder dix fois plus loin dans toutes les directions", a déclaré en novembre Chris Van Den Broeck, un physicien belge qui travaille au Nikhef, l'Institut national de physique subatomique d'Amsterdam. Eos † Cela est étroitement impliqué à la fois dans la recherche LIGO et Virgo. Van Den Broeck est responsable, entre autres, de l'analyse des données dans le projet Virgo. "Comme tous les phénomènes ondulatoires, les ondes gravitationnelles s'affaiblissent également lorsqu'elles se déplacent dans l'univers. Ce facteur de dix signifie finalement que nous avons une vue sur mille fois plus de sources d'ondes gravitationnelles. Nos chances augmentent donc considérablement avec l'Advanced LIGO et la Virgo.”
La grande question n'est pas de savoir si les ondes gravitationnelles existent ou non, car il y a encore peu de doute parmi les physiciens. Ce que nous voulons savoir, c'est si l'espace-temps vibre exactement comme le prédit la relativité générale, et non d'une manière différente. En ce sens, il s'agit donc d'un test important pour la théorie », déclare Chris Van Den Broeck.
La relativité générale a peut-être réussi plusieurs tests avec brio, mais le test ultime commence par la recherche d'ondes gravitationnelles. «Pour la première fois, la théorie est testée dans des« champs forts », où les forces sont gigantesques et la dynamique énorme. Si quelque chose ne va pas dans la théorie de la relativité, cela doit remonter à la surface ici.'
Van Den Broeck :« Ensuite, il y aura des moments passionnants pour les physiciens expérimentaux et théoriciens. Parce qu'à ce stade, nous devons découvrir ce qui ne va pas exactement avec la théorie de la relativité d'Einstein. Toute la théorie devra peut-être alors être révisée.'
Selon Van Den Broeck, il y a beaucoup plus à apprendre des ondes gravitationnelles. « Ils offrent une toute nouvelle fenêtre sur l'univers. D'innombrables phénomènes intéressants en astrophysique ne sont vraiment compris que par les ondes gravitationnelles qu'ils émettent. La détection directe offre également de nouvelles possibilités sans précédent en cosmologie, par exemple pour étudier l'univers alors qu'il n'avait qu'une fraction de seconde."
Après une éventuelle détection, faudra-t-il des mois voire des années pour que tout doute sur la nature de la source disparaisse ? « Nous parlons de quelques mois tout au plus, certainement pas d'années. Nous devons faire toute une batterie de vérifications pour savoir s'il ne s'agit pas d'un faux signal, mais cela prend au maximum quelques mois.'
Alors que les physiciens ont peut-être détecté les premières ondes gravitationnelles, 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 sur la table pour un observatoire souterrain qui s'appellerait le télescope Einstein 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.
