Que sont les mystérieuses ondes gravitationnelles ?

Catégorie : Physique



Que sont les mystérieuses ondes gravitationnelles ? Crédit photo : LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Observées pour la première fois le 14 septembre 2015, les ondes gravitationnelles avaient pourtant été prédites un siècle avant… par Albert Einstein ! Il s’agit d’une véritable révolution en physique, qui promet de formidables perspectives notamment en astronomie et en astrophysique. Mais de quoi s’agit-il, plus concrètement ?

Une épopée d’un siècle

L’aventure prend sa source en 1916, quelques mois après qu’Einstein ait publié sa théorie de la relativité générale ; qui constitue une nouvelle théorie de la gravitation. Il se met à travailler sur un sujet issu de cette dernière qui pourrait sembler sortir tout droit d’une oeuvre de science-fiction : les ondes gravitationnelles. Il s’agit d’un phénomène ondulatoire qui déforme littéralement l’espace et le temps sur son passage !

En 1918, il publie un article intitulé “Über Gravitationswellen” (Des ondes gravitationnelles) dans lequel il l’explique mathématiquement, dans quel contexte il émerge, et ses effets sur son environnement. Pourtant, le physicien théoricien de génie doute qu’on soit un jour capable de les détecter tant la précision qu’il faudrait pour ce faire semble technologiquement hors de notre portée.

Le travail de recherche théorique dans le domaine s’est poursuivi jusqu’en 1992, année au cours laquelle un projet de conception d’un dispositif qui aurait pour but de détecter ces mystérieuses ondes gravitationnelles fût mis sur pied ; notamment par l’universitaire du MIT Rainer Weiss, et également le physicien expérimental Ronald Drever et le physicien théoricien Kip Thorne (dont nous avions parlé dans un précédent article), tous deux de Caltech. C’est dans cet élan que fût construit LIGO, un interféromètre long de 4km, et d’une précision jamais égalée.

Concrétisation et première observation

De 2002 à 2010, le projet LIGO tel qu’initialement conçu ne détecta pas d’ondes gravitationnelles. Un développement additionnel de 5 ans fût donc entrepris pour améliorer et optimiser l’instrument, qui se barda ainsi d’une sensibilité de 4 fois supérieure. Le 14 septembre 2015 à 9h51 UTC un signal est capté et enregistré par LIGO, et le 11 février de l’année suivante la collaboration scientifique rassemblant LIGO et VIRGO (son équivalent européen) publie ses résultats…

La précision théorique et la correspondance mathématique est sans appel : nous avons été traversé par des ondes gravitationnelles qui ont déformé l’espace et le temps sur Terre, résultat de la fusion de deux trous noirs se situant à pas moins de 1,3 milliards d’années-lumière. Pour rappel, une année-lumière c’est (comme le nom laisse présager) la distance parcourue par la lumière en une année ; la lumière se déplaçant à environ 300 000 kilomètres par seconde. Cela peut sembler incroyable, mais c’est bien de quoi nous sommes capables aujourd’hui !

Vous l’aurez compris, les ondes gravitationnelles sont issues d’événements d’une violence que nous ne sommes même pas compétents pour imaginer. Dans le cas de cette première observation, deux trous noirs d’environ 30 masses solaires chacun ont fusionné, et ainsi libéré 3 à 4 masses solaires sous forme d’énergie, donnant naissance à ces ondes ; initialement absolument titanesques.

Pour vous donner une idée visuelle, voici une animation réalisée à partir des données collectées lors du passage d'ondes gravitationnelles captées le 14 août 2017

Quelles perspectives ? En quoi est-ce une révolution ?

La majeure partie de l’astronomie repose sur des observations de la lumière visible (astronomie dite optique) ; la même que celle que nous pouvons voir de nos propres yeux, mais avec une précision et une finesse prodigieusement plus grandes. Cependant, à d’autres longueurs d’onde, nous pouvons aujourd’hui observer également l’infrarouge, les ultraviolets, les rayons X, les rayons gamma, etc.

Pouvoir détecter, observer et analyser les ondes gravitationnelles, c’est comme avoir gagné un nouveau sens. LIGO et VIRGO ne serviront pas au simple titre informatif de savoir que nous avons été traversé par une onde originaire de milliards d’années-lumière qui nous a étiré et écrasé à échelle microscopique, mais offrent un nouvel outil pour comprendre l’univers dans lequel nous vivons et les phénomènes qui y prennent vie. Le fait que l’observation ait été une corrélation impeccable de la théorie prédite il y a un siècle lui donne de plus un indice de confiance admirable.

A propos de l’avenir de l’astronomie gravitationnelle, l’ESA (l’Agence Spatiale Européenne) travaille sur le projet eLISA, qui consiste en la construction d’un interféromètre spatial doté de deux bras d’une longueur de… presque un million de kilomètres ! L’avantage de l’espace réside dans la minimisation des potentielles perturbations environnementales alentours, ce qui réduit considérablement la charge de travail concernant le traitement des données reçues. Le lancement d’eLISA est pour le moment prévu pour 2034.

Vous savez désormais ce que sont les ondes gravitationnelles, phénomène au coeur de l’actualité astrophysique. Nous espérons que cet article vous aura fait tout aussi forte impression que pour nous, lorsque nous avons lu, écouté et visionné avec enthousiasme des contenus qui nous ont aidé à en comprendre la profondeur.


— par Guillaume REYNAERT

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Dalle
« Ca laisse rêveur »