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Prix Nobel de physique : les ondes gravitationnelles, vers une nouvelle astronomie

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Pulsar binaire et ondes gravitationnelles, vue d'artiste
Pulsar binaire et ondes gravitationnelles, vue d'artiste
© AFP - L.Bret / Leemage

Entretien. La détection des ondes gravitationnelles, phénomène prévu par Einstein et confirmé en 2015, est saluée cette année par le prix Nobel de physique, à travers trois pionniers américains. Pour le physicien Thibault Damour, ces découvertes ouvrent la voie à une nouvelle astronomie.

Einstein l'avait prédit, dès 1916. La recherche sur les ondes gravitationnelle, qui avait déjà valu aux Américains le Nobel de 1993, est saluée cette année encore par l'Académie suédoise, à travers les figures de trois pionniers, toujours américains. Rainer Weiss, 85 ans, Barry C. Barish, 81 ans, et Kip S. Thorne, 77 ans ont été récompensés pour "leurs contributions décisives au détecteur Ligo et l'observation des ondes gravitationnelles". Ligo pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Leur "découverte a bouleversé le monde", a souligné le secrétaire-général de l'Académie suédoise des sciences, Göran Hansson.

Les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la courbure de l'espace-temps, qui se propage à grande distance de son point de formation. Leur réalité a été longuement débattue, d'abord par Albert Einstein lui même, puis par de nombreux physiciens à sa suite. Seule la recherche expérimentale pouvait permettre de démontrer qu'il ne s'agissait pas que d'un artefact mathématique.

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Dans les années 1960, les premiers détecteurs d'ondes gravitationnelles sont mis en place, sous l'impulsion du physicien américain Joseph Weber. Après des décennies de tentatives pour déceler ces déplacements infimes, l'hypothèse d'Einstein dans sa théorie de la Relativité générale est validée : les ondes sont observées en septembre 2015, et confirmées en février 2016 par le détecteur américain Ligo. Avant d'être à nouveau détectées il y a quelques jours à peine depuis l'Europe, pour la première fois. Ces ondes gravitationnelles ont été produites par la fusion de deux trous noirs, situés à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. Il s'agit du même coup d'une preuve de l’existence des trous noirs.

Thibault Damour, physicien théoricien, spécialiste de la gravitation relativiste, a reçu la semaine dernière avec Alain Brillet la médaille d’or du CNRS, eux aussi pour leur contribution à la détection d’ondes gravitationnelles. Il est également professeur à l’Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES). Pour l'émission "La Méthode scientifique", il s'entretient avec Antoine Beauchamp, sur la nature des ondes gravitationnelles et leur difficile détection :

Einstein nous dit que l'espace n'est pas une structure rigide, mais comme de la gelée de veau, un milieu élastique. Une onde gravitationnelle est une onde de vibration de cet espace élastique einsteinien. Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois en septembre 2015 grâce à d'immenses tubes dans lesquels on fait le vide, et dans lesquels la lumière circule. A l'époque, deux détecteurs existaient aux Etats-Unis, aujourd'hui un troisième marche en Europe. L'influence de l'onde gravitationnelle, de la vibration de l'espace sur la propagation de la lumière à l'intérieur de ce détecteur, a permis de montrer que l'onde gravitationnelle était passée sur Terre.

Les ondes gravitationnelles sont émises par de grosses masses qui bougent très vite, en l'occurence deux trous noirs situés très loin, à plus d'un milliard d'années lumières. Mais on ne s'attend pas à ce qu'il y en ait de plus proches. Le signal est très amorti à cause de la grande distance de propagation. Quand il arrive sur Terre, le signal fait bouger les miroirs, sur lesquels se réfléchit la lumière dans l'interféromètre, d'un milliardième de la taille d'un atome. Il est pratiquement inconcevable qu'on ait pu le détecter. Mais ces détecteurs sont si sensibles qu'ils l'ont perçu.

Le détecteur Ligo est le premier à avoir repéré ces ondes. A lui seul, il en a détecté trois sur les quatre repérées depuis deux ans dans le monde. Les lauréats du Nobel de physique 2017 doivent leur prix à leur travail sur ce détecteur.

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Le physicien Thibault Damour détaille l'apport de chaque lauréat pour la détection des ondes gravitationnelles :

Kip S. Thorne a eu la vision qu'il allait être important, pour créer une nouvelle astronomie, de détecter les ondes gravitationnelles. Très tôt, dès la fin des années 1970, il a poussé pour la création de détecteurs. Il a aussi indiqué qu'il y aurait des sources intéressantes, comme des systèmes binaires d'étoiles à neutrons, et des trous noirs.

L'apport essentiel de Rainer Weiss a été de faire une analyse du fonctionnement des détecteurs et des sources de bruit qui limitent la sensibilité des interféromètres. Il a été le premier à montrer qu'un interféromètre allait pouvoir détecter des ondes gravitationnelles aussi faibles.

Enfin, l'apport principal de Barry C. Barish est qu'il a été le premier chef du groupe de milliers de physiciens aux Etats-Unis à faire travailler ensemble des centaines de personnes, et à faire que l'expérience atteigne une maturité en un temps fini. Il a eu un rôle de manager, avec une vision scientifique.

Un an après cette découverte majeure dans l'histoire des sciences, en mars 2017, l'émission La Méthode scientifique revenait sur ses enjeux :

Qu'est-ce qu'une onde gravitationnelle ? Comment est-elle générée ? Quelles sont les sources susceptibles de générer des ondes gravitationnelles détectables sur Terre ? Comment les détecter ? Un an après l'annonce de la découverte, les instruments ont-ils détecté de nouvelles ondes ? Avec Nathalie Deruelle, directrice de recherche CNRS, membre du laboratoire AstroParticule et Cosmologie de l’Université Paris Diderot et Fabien Cavalier, directeur de recherche CNRS et directeur adjoint du Laboratoire de l’accélérateur linéaire à Orsay, il travaille sur le détecteur franco-italien Virgo :

Le physicien Thibault Damour conclut sur les perspectives ouvertes suite aux quatre ondes gravitationnelles détectées en partie grâce au travail des lauréats du Nobel 2017 :

Les rumeurs disent que le 16 octobre prochain, une cinquième détection pourrait être annoncée, réalisée conjointement par le détecteur américain Ligo et son homologue européen Virgo. Cela devrait apporter quelque chose de complètement nouveau, une source nouvelle, qu'on n'avait pas encore détectée. Attendons mi-octobre...

Actuellement, les deux détecteurs américain et européen sont à l'arrêt, parce qu'ils entrent dans une phase d'amélioration de leur sensibilité. Ils reprendront leur activité dans un an, un an et demi, et beaucoup plus de sources pourraient alors être détectées.

La détection de plus d'ondes gravitationnelles pourrait permettre de mieux connaître les trous noirs, de mieux comprendre et de tester la théorie d'Einstein en Champ Fort, et aussi la formation de systèmes binaires dans des galaxies. On espère également que bientôt, seront aperçues des ondes gravitationnelles émises par deux étoiles à neutrons. Dans ce cas, ce qui serait intéressant serait de voir à la fois un signal d'onde gravitationnelle, mais aussi le signal électromagnétique associé, impossible à détecter quand deux trous noirs fusionnent, ce qui était le cas jusqu'ici. Cette combinaison entre ondes gravitationnelles et ondes électromagnétiques ouvrirait vraiment la voie à une nouvelle astronomie.

À lire aussi : Les Nobel 2016