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[Dossier #4] Les ondes gravitationnelles mises en évidence

Sauf à avoir passé les dernières semaines sur une île déserte, coupé du monde et de toute information, certains diront… dans un trou noir !,  vous n’êtes pas sans savoir qu’une équipe internationale de physiciens a obtenu la première preuve expérimentale directe de l’existence des ondes gravitationnelles - ainsi que celle des couples de trous noirs, par la même occasion.

Dossier rédigé par Benoît Le Blanc, Directeur adjoint de l'ENSC - Bordeaux INP

Ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles et l'impacte de cette découverte

Les ondes gravitationnelles sont des ondes émises par les masses en mouvement ; elles constituent en cela une autre façon d’observer les objets astronomiques, en complément des ondes liées à la lumière ou plus généralement aux ondes électromagnétiques qui émanent de charges électriques en mouvement.

On peut dire que d’un côté, par sa masse, la matière indique à l’espace-temps comment se courber ; inversement les courbures de l’espace-temps indiquent à la matière comment se déplacer – cette interaction à double sens complique beaucoup les choses !

Prévues par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale, ces ondes doivent provenir d’objets très très massifs pour pouvoir déformer l’espace-temps ne serait-ce que très très faiblement. Einstein lui-même pensait d’ailleurs que l’on n’arriverait jamais à les observer.

Il faut dire que la précision nécessaire pour observer des ondes gravitationnelles est de l’ordre de 10 puissance -20 lorsque déjà,  elles sont engendrées par des phénomènes astrophysiques cataclysmiques comme l’explosion d’une super nova ou la collision de deux trous noirs.

Tout phénomène d’intensité plus faible produira des ondes encore plus difficilement détectables. 10 puissance -20 c’est un peu comme si l’on devait mesurer la distance de la Terre au Soleil bien plus précisément qu’à un cheveu près (en fait, c’est même à un cent millième de cheveu qu’il faudrait parvenir !).

« Les détecteurs LIGO ont observé des ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire. La forme d'onde détectée correspond aux prédictions de la relativité générale pour la coalescence en spirale d'une paire de trous noirs, ainsi que pour le signal du seul trou noir résultant. Ces observations démontrent l'existence d'un système binaire de trous noirs de masses stellaires. Ceci est la première détection directe des ondes gravitationnelles et la première observation d’une fusion de deux trous noirs. ». Telle est la conclusion – sobre pour un tel exploit technologique – de l’article paru en février dernier, ponctuant cinq mois de calculs intensifs. Dans cette affaire, tous les superlatifs et tous les ordres de grandeur extrêmes sont de mise.

Il y a d’abord la petite histoire, bien sûr, avec toutes les anecdotes qui montrent combien la part humaine est importante dans ce genre d’aventure.

Par exemple, cette mesure faite le 14 septembre 2015 sur la collision de deux trous noirs très massifs, intervient quelques jours seulement après la première prise de données du tout nouveau matériel américain LIGO, succédant à du matériel plus ancien pour en accroitre sa sensibilité. Cette mesure n’a pas pu être faite par les Européens, car leur nouveau matériel plus sensible (VIRGO) n’est entré en opération qu’en 2016. L’événement GW150914 n’a pas non plus été « vu » directement par le télescope orbital FERMI car son orbite terrestre ne le situait pas au bon endroit à ce moment-là, un signal a toutefois bien été perçu par un appareil de moindre résolution.

L’événement observé s’est déroulé en moins d’une demi-seconde, mais les calculs qui s’en suivirent ont duré plusieurs mois. Ces calculs visaient à écarter toutes les hypothèses pouvant faire entrer en jeu d’autres phénomènes explicatifs.

Certes, le signal mesuré est très spécifique et correspond remarquablement bien aux prédictions théoriques (qui sont elles-mêmes l’aboutissement d’années de travaux), et la mesure concomitante des deux équipements LIGO situés à Livingston (Sud-Est des USA) et à Hanford (Nord-Ouest des USA) s’est faite selon le même signal avec juste le décalage attendu de 7 ms dû à la distance entre les appareils.

Mais là encore un « simple » hasard d’un sur cinq millions pourrait l’expliquer - cela reviendrait tout de même à lancer une pièce de monnaie en l’air et ne pas s’étonner de la voir retomber 22 fois consécutivement sur « pile ». Tous les cas ont été envisagés et 200.000 canaux auxiliaires ont été passés en revue, depuis les secousses sismiques jusqu’au vent solaire, y compris les cas d’une malversation humaine ou d’une défaillance des appareils électroniques. Au total, plus d’un millier de chercheurs ont travaillé en continu, grâce au décalage horaire entre les laboratoires du monde entier.

Ils ont repris toutes les mesures disponibles sur différents appareils avant et après cette date du 14 septembre. Tout ceci a abouti à la publication scientifique de février dernier qui  tient en 16 pages, dont 3 pages pour citer les 1 011 noms des cosignataires (trois d’entre eux sont décédés) et plus de 2 pages pour donner l’adresse des 133 laboratoires impliqués. Bien que les appareils LIGO et VIRGO soient issus de programmes d’équipement initiés dans les années 90, cette mesure est symboliquement intervenue l’année du centenaire de la publication d’Albert Einstein sur la relativité générale, après 50 ans d’efforts.

Il y a ensuite l’histoire de la découverte pas à pas de notre univers par des expérimentations astrophysiques. Les interféromètres LIGO et VIRGO ont des bras qui mesurent entre 3 et 4 km en ligne droite. Sur cette distance, la courbure terrestre donne aux bras une amplitude de l'ordre de 1 mètre en hauteur, ce qui est tout à fait compensable. Avec des bras de 40 km, il faudrait des bâtiments d'environ 100 m de hauteur !

Des rayons lasers parcourent un grand nombre de fois deux bras orthogonaux avant de se rejoindre. Si un phénomène vient modifier la longueur d’un bras (comme une onde gravitationnelle), une vibration sera mesurée à la jonction des faisceaux lasers. Evidemment tout ceci est très sensible car l’on cherche à atteindre des précisions en 10 puissance -21 mètres. C’est donc de la lumière qui est utilisée comme « règle » de mesure (sa vitesse est constante), en se propageant dans des tubes à vide, avec des miroirs « suspendus » (pour éviter les vibrations du sol) et « asservis » entre eux (pour rester précisément aux mêmes distances relatives). L’évènement observé le 14 septembre à 9h50 est nommé GW150914 (GW pour Gravitational Wave). Il résulte de deux trous noirs ayant spiralé l’un autour de l’autre à la moitié de la vitesse de la lumière, il y a un milliard d’années.

Chacun d’eux avait une masse d’environ 30 fois la masse de notre Soleil (plus précisément 36 et 29 fois) pour un diamètre d’environ 100 km. Lorsqu’ils sont entrés en collision ces deux trous noirs ont fusionné en un seul (de 62 masses solaires), avec une perte de matière de l’ordre de trois fois la masse solaire. L’énergie (énorme !) correspondant à cette matière a généré des ondes gravitationnelles, pendant 0,15 secondes, puis le train d’ondes a progressivement perdu de la puissance au cours de son long voyage, jusqu’à atteindre la Terre en septembre dernier.

Il y a enfin le futur et les perspectives qu’offre une telle découverte expérimentale.
Cette mesure est spectaculaire car c’est la première pour un événement de ce genre.

D’autres événements, moins probants, ont déjà été observés. Ces phénomènes ne sont pas exceptionnels, il « suffit » d’avoir une encore meilleure sensibilité pour en détecter. En décembre 2015 l’Agence spatiale européenne (ESA) a lancé LISA Pathfinder, qui teste des technologies en vue du projet eLISA – 3 interféromères qui doivent être placés dans l’espace en 2034, avec cette fois des bras de plusieurs millions de km !

De nouvelles observations suivront donc, mais on peut d’ores et déjà dire que GW150914 vient clore un premier chapitre débuté dans les années 60, et cherchant à atteindre la précision nécessaire à l’observation d’ondes gravitationnelles. Le second chapitre débute maintenant et lance véritablement l’astronomie gravitationnelle.

Comme chaque fois qu’une nouvelle méthode d’observation devient accessible, cela ouvre véritablement une nouvelle fenêtre sur l’univers, permettant de « voir » des trous noirs, d’accéder au cœur d’événements violents, comme la collision d’étoiles à neutrons, de mieux connaître les débuts de notre univers, et de mesurer sa géométrie avec de nouvelles sondes.

Pour aller plus loin... 


L'article scientifique de cette découverte
Les ondes gravitationnelles en infographie et en vidéo