Le prix Nobel de physique 2017 a récompensé Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne pour leurs contributions décisives à l'observatoire LIGO et à la détection des ondes gravitationnelles. Mais qu'est-ce que ces mystérieuses ondulations de l'espace-temps ?
Les sources principales d'ondes gravitationnelles sont les fusions d'étoiles à neutrons. Ces astres ultra-denses proviennent d'étoiles mortes, ayant été plus de trois fois plus massives que le Soleil. Composées uniquement de neutrons, leur densité est phénoménale : une cuillère à café de matière pèse un milliard de tonnes ! Parfois, ces étoiles forment un couple binaire et tournent l'une autour de l'autre à grande vitesse.
Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, elles perdent de l'énergie gravitationnelle, se rapprochant progressivement jusqu'à une fusion cataclysmique. Ce processus génère des perturbations massives du champ gravitationnel, propageant des ondes gravitationnelles sur une brève période.
Autre source spectaculaire : la fusion de trous noirs. Cet événement cosmique encore plus violent produit des ondes détectables à des distances astronomiques.
Longtemps théorisée, l'existence des ondes gravitationnelles n'avait pas été observée directement jusqu'à récemment. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aux États-Unis utilise un interféromètre laser géant : le passage d'une onde étire et comprime l'espace, créant une déformation mesurable. En Europe, Virgo à Pise (Italie) opère de manière similaire.
Après des phases initiales prouvant leur faisabilité, les versions avancées (Advanced LIGO et Advanced Virgo) offrent une sensibilité dix fois supérieure. "Cela nous permet d'observer dix fois plus loin dans toutes les directions", expliquait en 2016 Chris Van Den Broeck, physicien belge au Nikhef (Institut national de physique subatomique des Pays-Bas), impliqué dans les deux projets et responsable de l'analyse des données chez Virgo. "Les ondes s'affaiblissant avec la distance, cela multiplie par mille le volume d'univers explorable, boostant nos chances de détection."
La question n'est plus leur existence, mais si elles vibrent exactement comme prédit par la relativité générale. "C'est un test majeur en régimes de champs gravitationnels intenses", souligne Van Den Broeck. La théorie a brillamment passé de nombreux tests, mais les ondes gravitationnelles représentent l'épreuve ultime dans des conditions extrêmes.
"Ce serait exaltant pour les théoriciens et expérimentateurs : il faudrait alors identifier les failles de la relativité et peut-être la réviser entièrement", anticipe Van Den Broeck. Au-delà, ces ondes ouvrent une nouvelle fenêtre sur l'univers, révélant des phénomènes astrophysiques invisibles autrement et des insights cosmologiques inédits, jusqu'aux premiers instants du Big Bang.
Une détection ne requerrait que quelques mois de vérifications pour écarter tout artefact, loin des années pour le Higgs.
La première détection en 2015 (GW150914) a ouvert l'ère. Prochaines étapes : LISA (Laser Interferometer Space Antenna), projet de l'ESA avec trois satellites espacés de 5 millions de km, lancé en 2034 pour des ondes ultra-faibles sans perturbations terrestres. Par ailleurs, le Télescope Einstein, observatoire souterrain, vise des milliers de détections annuelles ; le sud du Limbourg néerlandais est un site idéal selon les études sismiques.
[]