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Ondes gravitationnelles : l'Homme a senti passer le souffle de l'univers

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Simulation de l'onde gravitationnelle issue de la fusion de deux trous noirs.
Simulation de l'onde gravitationnelle issue de la fusion de deux trous noirs.
- Swinburne Astronomy Productions

Le jeudi 11 février 2016 restera le jour où l'existence des ondes gravitationnelles, prédite par Albert Einstein en 1916, a été démontrée grâce à leur détection depuis la Terre. Un événement historique comparable à la découverte du boson de Higgs. Néanmoins, la gravité conserve tout son mystère !

Imaginez deux trous noirs situés à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. Progressivement, ils se rapprochent... Puis ils fusionnent en un nouveau trou noir unique. Le phénomène est si gargantuesque qu'il est difficilement imaginable. Il ne dure que 20 millième de seconde mais il produit 50 fois la puissance de toutes les étoiles de l'univers réunies... En un instant, la fusion des deux trous noirs consomme une énergie équivalente à trois fois la masse du soleil, soit 6 10 puissance 30 (6 x 1 suivi de trente 0) kg. Cette énergie fait vibrer l'espace-temps. Une onde se propage alors à travers l'univers...

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Le 14 septembre 2015, à 9 heures 50 minutes et 45 secondes (temps universel), cette onde frappe la Terre. Notez qu'elle y arrive après un voyage de 1,3 milliard d'années car elle se déplace à la vitesse de la lumière. Gigantesque à son départ, elle a donc perdu beaucoup de sa puissance, comme les ondulations provoquées par le choc d'un caillou à la surface d'un étang s'amenuisent avec la distance et le temps. L'exploit des scientifiques est d'avoir enregistré le passage de cette onde sur Terre. Le signal qu'ils ont capté n'a duré qu'une fraction de seconde. Et pourtant, ils sont catégoriques: cette minuscule variation de fréquence et d'amplitude de leurs courbes est bien la signature de la fusion de deux trous noirs. Ils ont ainsi "senti" passer le souffle d'une catastrophe cosmique. 

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Le signal enregistré par les détecteurs Ligo
Le signal enregistré par les détecteurs Ligo
- Ligo

Ce résultat a mis toute la communauté des physiciens en émoi lors de son annonce officielle, le 11 février 2016. Un moment historique. D'autant qu'il se produit exactement 100 ans après qu'Albert Einstein a prédit l'existence des ondes gravitationnelles comme l'une des implications de sa théorie de la la relativité générale publiée en 1915. Mais lui-même estimait que leur puissance était beaucoup trop faible pour qu'elles ne soient jamais observées. Là, il se trompait. Néanmoins, le fait de vérifier aujourd'hui que ces ondes issues de ses purs calculs théoriques existent réellement dans l'univers constitue un formidable succès de la physique.  

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Pour mesurer cette avancée, rappelons ce que nous savons en matière de gravité. En 1687, pour Newton, il s'agit d'une force qui provoque la chute des corps. Pas seulement des pommes, mais de tous les objets ayant une masse. Il détermine la formule qui régit cette force :proportionnelle à chacune des masses en présence et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. C'est ainsi que la Lune tourne autour de la Terre qui tourne autour du Soleil et ainsi de suite. C'est aussi la raison pour laquelle les verres tombent quand on les lâche et que tant va la cruche à l'eau qu'à la fin elle se brise. Malheureusement pour Newton, sa formule n'explique pas tous les phénomènes astronomiques. 

Le drap de l'espace-temps

Einstein entre alors en scène au début du 20e siècle. Pour lui, la gravité n'est pas une force. Dans sa théorie de la relativité, qui est en fait une théorie de la gravitation, il introduit le concept d'espace-temps. Ce dernier se comporte comme un drap tendu. Si l'on pose une bille au centre de ce drap, elle s'y enfonce d'autant plus que sa masse est importante. Si une autre bille, plus légère, est envoyée sur le même drap et qu'elle passe à proximité de la première bille, elle sera attirée vers cette dernière par la courbure du drap. En fonction de sa vitesse initiale, elle pourra se mettre en rotation autour de la première bille. C'est la Lune qui tourne autour de la Terre.   

Le détecteur LIGO situé à Hanford.
Le détecteur LIGO situé à Hanford.
- LIGO

Dans la foulée, Einstein estime que tous les corps ayant une masse émettent ce qu'il nomme des ondes gravitationnelles dont la puissance est si faible qu'elles sont indétectables avec les appareils de l'époque. Il faut attendre les années 1990 pour que les Américains lancent un programme de construction d'un détecteur géant, le  Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (« Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser »), ou LIGO. Au passage, on note que la technique de détection utilisée dérive directement de celle inventée par Albert Abraham Michelson dans les années... 1880. 

Les concepteurs de LIGO voient grand parce qu'ils savent que la détection des ondes gravitationnelles sera très délicate. Ils construisent deux détecteurs en forme de L situés à Hanford (Etat de Washington) et à Livingston (Louisiane). Chacune des branches de ces deux L mesure pas moins de 4 km de long. Elles sont parcourues par des rayons laser réfléchis par des miroirs en bout de course et qui interfèrent au centre du L en provoquant des franges caractéristiques. L'idée est que les ondes gravitationnelles, en déformant l'espace-temps, vont également déformer le L, modifier le parcours des rayons laser et imprimer ainsi un signal particulier dans le détecteur d'interférences. Pour obtenir ce résultat, il suffit d'attendre un événement assez puissant pour qu'il fasse bouger les miroirs de LIGO. D'où la patience des scientifiques qui sont prêts dès 2002. Après 13 années d'attente, les 900 chercheurs mobilisé dans le monde entier pour analyser les données de l'équipement ayant coûté 620 millions de dollars, sont récompensés. 

Voir l'invisible

Quel est l'impact réel du résultat obtenu, si extraordinaire soit-il ? Bien entendu, il ouvre une nouvelle fenêtre sur l'univers. De même que les rayons infrarouges et les rayon X ont permis d'obtenir des images totalement inédites de l'univers et de mieux comprendre son fonctionnement, la détection des ondes gravitationnelles va permettre d'étudier des phénomènes cosmiques qui resteraient autrement invisibles. Ainsi, la fusion des deux trous noirs n'aurait pas pu être décelée par les systèmes d'observation classiques. Et peut-être pourra-t-on un jour capter la trace gravitationnelle de l'événement initial: le Big Bang lui-même, censé avoir donné naissance à notre univers il y a 13,8 milliards d'années...

Cette découverte fait-elle avancer notre connaissance de la gravité elle-même? Nous explique-t-elle comment deux corps peuvent exercer une force l'un sur l'autre à distance ? L'existence d'une particule, le graviton, qui pourrait servir à transmettre cette attraction, comme le photon transporte la lumière, ne semble pas démontrée par l'expérience LIGO. De même, l'incompatibilité entre la relativité générale et la mécanique quantique demeure entière. Enfin, et surtout, nous restons dans l'ignorance de la raison pour laquelle un verre tombe et se brise à nos pieds. Étonnant paradoxe lorsque l'on semble tout savoir sur la fusion de deux trous noirs à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre...

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Rendez-vous le 26 février 2016 pour une émission de Science publique consacrée à cette découverte des ondes gravitationnelles avec nos invités: Pierre Binétruy, Nathalie Deruelle et Jacques Treiner