Les scientifiques détectent des ondes gravitationnelles, ce qui confirme les ondulations d’Einstein dans l’espace-temps

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Prédites dès 1915 par Albert Einstein avec sa théorie de la relativité générale, les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois. Selon le modèle standard de la cosmologie, de nombreux événements cosmiques sont la source d’ondes gravitationnelles, des collisions de trous noirs et d’étoiles à neutrons aux supernovas à effondrement de cœur, en passant par le Big Bang lui-même. Et même si elles finissent par s’affaiblir en parcourant l’espace-temps et deviennent très difficiles à détecter, toutes ces ondulations sont censées continuer à imprégner l’Univers de leur présence, constituant un fond d’ondes gravitationnelles (à l’image du fond cosmologique diffus). Et pour la première fois, des cosmologistes pourraient avoir découvert des indices de sa présence.

Il y a environ 1,3 milliard d’années, au moment où la vie multicellulaire commençait à se répandre sur Terre, une paire de trous noirs est entrée en collision et a libéré un torrent d’énergie gravitationnelle dans le cosmos. Aujourd’hui, les physiciens ont annoncé qu’ils avaient repéré cette énergie ici sur Terre. “Nous avons détecté des ondes gravitationnelles”, a déclaré David Reitze, physicien à Caltech et directeur exécutif du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), lors d’une conférence de presse jeudi matin à Washington, D.C. “Nous l’avons fait!”, ajoutait-il. L’annonce, coïncidant avec la publication d’un article évalué par des pairs dans Physical Review Letters avec 1 004 co-auteurs composant la LIGO Scientific Collaboration, marque la première détection confirmée d’ondes gravitationnelles, un phénomène prédit par Albert Einstein il y a un siècle.

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Ondes gravitationnelles résultant de la fusion de trous noirs – Universalis. © Getty Images.

Les équations de la relativité générale d’Einstein ont révélé que l’accélération des masses devrait envoyer des ondes ondulant dans l’espace-temps à la vitesse de la lumière. Peu ou pas de physiciens doutaient de l’existence des ondes, et le prix Nobel de physique 1993 a été décerné pour des travaux qui ont fourni des preuves solides mais indirectes de leur existence. Mais en fait, les détecter était un défi monumental. Même une forte onde gravitationnelle traversant la Terre ne perturbe les objets que d’environ un millième du diamètre d’un proton. Néanmoins, les physiciens ont calculé que certains événements extrêmement violents – des trous noirs massifs ou des étoiles à neutrons en spirale les uns dans les autres, par exemple – pourraient libérer suffisamment d’énergie gravitationnelle pour être détectés sur Terre. En 1992, la National Science Foundation a donné le feu vert à LIGO pour la construction de deux installations, à Livingston, en Louisiane et à Hanford, dans l’État de Washington.

Le détecteur fonctionne en faisant rebondir des faisceaux laser entre des miroirs extrêmement polis placés aux extrémités de tunnels perpendiculaires de 4 kilomètres de long qui forment un énorme «L». Lorsque les faisceaux de retour se croisent au sommet du L, ils interfèrent les uns avec les autres et créent des motifs sur un écran de détecteur. Si une perturbation faisait qu’un tunnel devenait légèrement plus long ou plus court que l’autre, le diagramme d’interférence laser changerait d’une manière qui révélerait des informations sur la source de la perturbation. Au cours du processus de construction des deux détecteurs, les scientifiques ont conçu certains des miroirs et des lentilles les plus précis jamais fabriqués. Plusieurs détecteurs sont nécessaires car des perturbations locales comme la chute d’un arbre peuvent secouer les miroirs, provoquant des faux positifs. “Vous ne pouvez croire que [les signaux sont] réels si vous les voyez tous les deux en même temps depuis des endroits éloignés”, a déclaré Gabriela Gonzalez, également lors de la conférence de presse. Elle est physicienne à la Louisiana State University à Baton Rouge et porte-parole de la collaboration LIGO. VIRGO, un troisième détecteur basé à Cascina, en Italie, aidera les scientifiques à mieux localiser les sources d’ondes gravitationnelles lorsqu’il sera à nouveau en ligne plus tard cette année.

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D’autres détecteurs sont en cours de construction au Japon et en Inde. Les détecteurs LIGO ont fonctionné de 2002 à 2007 et à nouveau, avec VIRGO, de 2009 à 2010, mais ils n’ont capté aucune onde lors de ces passages. Les chefs de projet les ont ensuite tous mis hors ligne pour les mettre à niveau afin qu’ils puissent augmenter leur volume de recherche de plus de 1 000 fois. Rebaptisée Advanced LIGO, l’expérience est revenue en ligne l’année dernière et, selon l’annonce d’aujourd’hui, presque immédiatement les observatoires de Livingston et de Hanford ont repéré un signal ressemblant à une onde gravitationnelle provenant de la fusion des trous noirs. “C’était incroyable”, a déclaré Gonzalez. “C’était un cadeau de la nature”.

Les rumeurs d’une détection ont commencé à circuler peu de temps après la découverte du 14 septembre 2015, mais les responsables du projet sont restés timides pendant qu’ils analysaient leurs données pour s’assurer qu’ils n’étaient pas dupés par un événement ou un test système fallacieux. Ce n’est qu’à la mi-janvier que les scientifiques de LIGO ont exclu d’autres causes et décidé à la majorité qu’ils avaient assisté à un événement réel. Les trous noirs détectés par LIGO étaient tous deux environ 30 fois supérieurs à la masse du soleil, et lorsqu’ils ont fusionné en un trou noir plus grand, la collision a envoyé l’énergie gravitationnelle équivalente à celle contenue dans trois soleils. Des trous noirs de cette taille avaient été théorisés mais jamais observés auparavant. “Maintenant, nous savons qu’ils existent”, a déclaré Gonzalez, ajoutant: “C’est la première de nombreuses [détections] à venir”.

Les scientifiques non impliqués dans LIGO ont applaudi l’annonce. “C’est absolument réel, c’est spectaculaire, les données sont vraiment incroyables. C’est au-delà de ce que quiconque croyait vraiment que nous verrions”, a déclaré Scott Ransom, astronome à l’Observatoire national de radioastronomie de Charlottesville, en Virginie. “Ils ont eu la détection de rêve le premier jour”. Les données LIGO aideront également les théoriciens à tester et à affiner davantage la théorie de la relativité générale, déjà l’une des théories les mieux testées de tous les temps, a déclaré Nicolas Yunes, un physicien qui étudie la relativité générale à l’Université d’État du Montana à Bozeman. “Maintenant, nous pouvons nous mettre au travail”.

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“Je suis ravi de voir que le travail a porté ses fruits”, a déclaré John Mather, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland et scientifique principal du projet sur le télescope spatial James Webb, qui sera lancé en 2018 pour étudier le objets les plus éloignés de l’univers. Le télescope Webb pourrait être aidé par les futures découvertes de LIGO, a déclaré Mather. “Nous sommes très impatients de donner suite à ce que [LIGO] peut nous dire”, a-t-il déclaré. “Tout le monde avec un télescope essaiera de suivre chaque annonce qui est faite”.

Les scientifiques de LIGO disent depuis longtemps que le but principal de l’expérience n’est pas de détecter les ondes gravitationnelles, mais de faire de l’astronomie. Les ondes gravitationnelles pourraient fournir un moyen d’étudier les objets les plus extrêmes de l’univers – des étoiles à neutrons extrêmement denses et des trous noirs difficiles ou impossibles à étudier avec la lumière. “LIGO a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’univers, une fenêtre d’ondes gravitationnelles”, a déclaré Kip Thorne, physicien à Caltech et co-fondateur de LIGO. “Chaque fois qu’une fenêtre s’est ouverte, il y a eu de grandes surprises”.

“C’est la première fois que l’univers nous parle à travers des ondes gravitationnelles”, a ajouté Reitze. “Nous avons été sourds aux ondes gravitationnelles, et maintenant nous pouvons les entendre. C’est tout simplement incroyable pour moi”.

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