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Ondes gravitationnelles, l’événement 2016


Classé dans : Toutes les nouvelles du ciel

Le 11 février dernier, une conférence de presse organisée par les expériences LIGO et VIRGO venait confirmer les rumeurs qui enflaient depuis quelques mois sur internet. L’expérience LIGO, avait observé de manière directe et ce près de 100 ans après l’hypothèse de leur existence formulée par Albert Einstein, des ondes gravitationnelles. Cette découverte a fait le tour du monde et des médias et pourrait être récompensée par le prix Nobel de Physique dès cette année 2016.
Mais que sont ces ondes gravitationnelles et pourquoi cette découverte est-elle une avancée majeure ?

Pour répondre à ces questions, nous vous proposons de repartir du début ou presque. De ce qu’est une onde, de la vision d’Einstein de l’Univers pour en venir aux ondes gravitationnelles, à leur mise en évidence de manière indirecte et directe et à la fenêtre qu’elles ouvrent pour le futur de l’astrophysique.

Une onde ?

La notion d’onde est incontournable pour qui veut s’attaquer à la compréhension de la physique moderne. Cependant, la représentation de ce dont il s’agit est parfois floue alors même que ce terme à fait irruption dans notre vie quotidienne. Bon nombre de foyers sont ainsi équipés de four à micro-ondes, les tremblements de Terre nous rappellent régulièrement l’existence d’ondes sismiques, l’électro sensibilité est progressivement reconnue comme une pathologie induite par les ondes émises par nos équipements électroniques, le son est parfois qualifié d’onde acoustique et la lumière d’onde électromagnétique. Enfin, plus poétiquement, Pablo Neruda évoquait les vagues en se référant à l’onde marine :

« J’ai dormi avec toi
Et ta bouche, au réveil,
Sortie de ton sommeil
Me donna la saveur de terre,
D’algues, d’onde marine,
Qui s’abrite au fond de ta vie.
Alors, j’ai reçu ton baiser
Que l’aurore mouillait
Comme s’il m’arrivait
De cette mer qui nous entoure. »

Pablo Neruda,
Vingt poèmes d’amour et une chanson désespérée : Les vers du capitaine

La diversité de ces phénomènes semble rendre la compréhension de ce qu’est une onde mal aisée. En réalité, elle cache le fait que la définition de ce qu’est une onde est assez rudimentaire. De manière formelle, une onde est selon wikipédia :

« la propagation d’une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physique locales du milieu. Elle se déplace à une vitesse qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation. Une onde transporte de l’énergie sans transporter de matière ».

En reprenant l’exemple de l’onde marine, chère à Pablo Neruda, il est possible de se forger une image de ce que signifie cette formulation abstraite. En imaginant que vous lanciez, un caillou au centre d’une mare, l’impact de ce caillou sur l’eau produira une perturbation de la surface de l’eau. Aux éclaboussures près, cette perturbation va se traduire par la formation d’une succession de vaguelettes.  La formation d’une vaguelette correspond à la modification des propriétés physiques locales du milieu. En effet, ici la mare initialement lisse voit sa surface déformée. Et localement, on constate une élévation ou un abaissement du niveau de l’eau selon que vous vous intéressiez au creux ou au sommet d’une vague. Vous êtes en présence d’une onde. Et celle-ci se propage puisque vos vaguelettes progressent depuis l’impact jusqu’aux bords de la mare. Les quelques raffinements supplémentaires de la définition de wikipedia nous apprennent que la vitesse à laquelle les vagues se propagent dépend du milieu. Si vous tenter l’expérience, vous ne verrez ainsi pas les vagues progresser à la même vitesse suivant que vous ayez lancé votre caillou dans une eau limpide ou bien dans une mare de boue. A priori, la déformation est réversible : la surface de l’eau redeviendra lisse après le passage de la succession de vaguelettes et à moins que vous n’ayez lancé un roc d’une taille impressionnante vous ne devriez pas avoir vidé la mare. Enfin, dernier détail mais d’importance, l’eau initialement au centre de la mare s’y trouve toujours ! Les vaguelettes que vous avez vues se propager n’ont pas déplacé l’eau du point d’impact jusqu’à la rive. Ce qui se propage et se déplace c’est l’énergie apportée par l’impact.

Au XVII siècle, Huygens proposera de décrire la lumière comme une onde pour expliquer certaines observations. Avec les travaux de Maxwell au XIXème siècle, la lumière visible est devenue une partie de ce qu’on appelle des ondes électromagnétiques. A la différence de l’onde marine ou des ondes acoustiques, celles-ci n’ont pas besoin de milieu matériel pour être transmises et peuvent donc voyager à travers le vide intersidéral. Il faut en convenir, ceci est pratique quand il s’agit d’observer les astres qui nous entourent. Les mécanismes de production de la perturbation initiale (le caillou dans la mare) responsable des ondes électromagnétiques sont variés. Mais une nouvelle fois, ces ondes transportent de l’énergie perceptible via l’échauffement de votre peau sur la plage de vos vacances pour prendre le cas des ondes électromagnétiques émises par notre Soleil ou bien via l’échauffement des aliments dans le cas de votre four à micro-ondes. Ce dernier exemple, illustre l’utilisation croissante par l’homme de ces ondes électromagnétiques pour des applications technologiques. Leur émission par un bon nombre d’appareils électroniques serait à l’origine de l’électro sensibilité rencontrée chez certaines personnes. Quelques-unes d’entre elles sont d’ailleurs venues s’installer à proximité de stations de radioastronomie comme celle de Nançay pour bénéficier de l’interdiction d’y implanter des antennes téléphoniques et autres émetteurs qui parasiteraient les observations.A la lumière de cet exemple, les quelques autres cités plus tôt sont à comprendre de la manière suivante. L’onde sismique est la propagation de la perturbation provoquée par un séisme à travers la croute terrestre et parfois même à la surface des océans lors de la formation de tsunami. L’énergie transportée par l’onde peut alors provoquer des dégâts qui n’ont parfois rien de réversible. L’onde acoustique est la propagation de l’énergie produite par le mouvement de vos cordes vocales à travers les molécules d’air jusqu’à l’oreille de votre auditeur. Cette propagation se traduit par la vibration des molécules d’air (succession de compression et décompression de l’air) qui va produire un son audible. Ces deux exemples illustrent le cas d’ondes qui nécessitent un support pour se propager. Sans air, pas de son. Ainsi, dans l’espace personne ne vous entendra crier.

Pour être complet, nous pourrions rajouter que les physiciens caractérisent les ondes en s’intéressant à certaines de leurs caractéristiques. Citons en trois :

  • La longueur d’onde qui est pour revenir à notre onde marine, la distance entre les sommets de deux vagues successives.
  • La célérité de l’onde qui correspond à la vitesse à laquelle celle-ci se propage.
  • L’amplitude de l’onde qui correspond dans le cas de l’onde marine à la hauteur de notre vague.

Déformer l’espace-temps

Les ondes gravitationnelles sont un type d’ondes dont l’existence a été avancée par Albert Einstein dans un article paru en juin 1916. Leur description s’inscrit dans celle plus générale de l’Univers et notamment de la gravitation proposée par Albert Einstein à travers sa théorie de la relativité générale en 1915.

Cette théorie dont les principes sont malheureusement très difficiles à rapprocher de notre expérience quotidienne introduit certains concepts intéressants pour comprendre le mouvement des corps dans notre Univers et décrire sous un jour nouveau la gravitation. Jusqu’en 1915, la gravitation est en effet décrite comme une force s’exerçant entre tous les corps possédant une masse. Nous devons cette description connue sous le nom de loi de la gravitation universelle à Newton. Malheureusement cette description semble incomplète car elle peine à décrire certaines observations. En 1915, Einstein va proposer une véritable révolution conceptuelle. Ainsi, il va définir que la gravitation n’est pas une force mais une déformation de l’espace-temps[1] qui nous entoure. Cette déformation peut être provoquée par le contenu de l’espace-temps : par une masse ou bien ce qui est en réalité équivalent selon Einstein par de l’énergie[2]. Cette déformation de l’espace-temps va être responsable des trajectoires des galaxies, planètes, etc … Celles-ci ne sont plus entrainées dans une rotation induite par une force d’attraction mais piégés dans une déformation de l’espace-temps qui a courbé la trajectoire rectiligne qu’ils suivaient. L’image régulièrement utilisée pour transcrire cette situation est celle d’une nappe tendue sur laquelle on aurait déposé une bille. Cette bille, par sa masse va déformer le tissu et créer un creux. Si nous lançons une seconde bille à proximité de la première, celle-ci va tomber dans ou bien être dévié par le creux créé par la première bille. Nul besoin d’invoquer une force pour expliquer « l’attraction apparente » de ces deux corps. Néanmoins, la présence de l’un va modifier le mouvement de l’autre. Cette vision de l’Univers est vertigineuse tant elle semble abstraite et peut paraître futile. En réalité, elle permet une description plus précise de notre Univers que ce que proposait la loi de la gravitation formulée par Newton.

Déformation de l’espace-temps (quadrillage vert) produite par la Terre et le Soleil (vue d’artiste) – Crédit photo : T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO LabMais pourquoi parler d’ondes gravitationnelles ? S’il fallait synthétiser, la chose à retenir est que notre Univers est déformable sous l’influence d’une masse (planète, étoile, trou noir …) ou bien ce qui est équivalent d’une énergie. Ainsi, il n’est pas exclu qu’un « caillou » lancé dans la mare qu’est notre Univers puisse créer une perturbation se traduisant par la propagation d’une énergie déformant notre espace-temps à la manière de la vague se propageant à la surface de l’eau. Ceci mêle la définition d’une onde à celle de la gravitation telle que formulée par Einstein. C’est ainsi qu’en 1916, il émet l’hypothèse que la rotation de deux astres l’un autour de l’autre pourrait faire office de cailloux dans la mare et susciter des ondes gravitationnelles. Leur observation devait permettre de tester la validité de sa théorie mais aussi d’ouvrir un nouveau champ d’observations astrophysiques.

A la chasse aux ondes gravitationnelles

De 1916 à l’annonce du 11 février 2016, près de 100 ans ce sont écoulés. Comment expliquer qu’il ait fallu tant de temps pour observer des ondes gravitationnelles ? Les prédictions d’Einstein montrent dès le début qu’il est exclu de produire des ondes gravitationnelles mesurables en mettant des masses en mouvement dans un laboratoire. Les dimensions de la déformation de l’espace-temps attendue seraient trop faibles. C’est pourquoi dès 1916, les espoirs se tournent vers l’espace à la recherche d’astres en rotation l’un autour de l’autre. Toutefois, même dans ce cas, la déformation à détecter reste infime. Plus de 100 millions de fois plus petite que la taille d’un atome[3]. L’observation directe de cette déformation est donc restée inaccessible pendant près de 100 ans.

Déformation de l'espace-temps (quadrillage vert) produite par la Terre et le Soleil (vue d'artiste)

Déformation de l’espace-temps (quadrillage vert) produite par la Terre et le Soleil (vue d’artiste) – Crédit photo : T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

En 1974, les américains Russel Hulse et Joseph Taylor de l’Université de Princeton mettront tout de même en évidence l’existence des ondes gravitationnelles sans pour autant être capables de détecter la déformation de l’espace-temps qu’elles engendrent. Tous deux s’intéressent alors à un pulsar binaire PSR B1913+16. Les deux étoiles à neutrons qui le composent tournent l’une autour de l’autre en suivant une orbite très resserrée puisque celle-ci pourrait tenir à l’intérieur du Soleil. L’une de ces étoiles est un pulsar[4] dont l’observation est l’une des spécialités des radiotélescopes tels que celui de Nançay et dans ce cas précis, d’Arecibo. Les données obtenues par le radiotélescope ont permis de mesurer avec précision la période orbitale de ce système et ont mis en évidence une accélération de cette rotation due au rapprochement de ces deux corps. Ce rapprochement est compris par les deux physiciens comme la conséquence d’une perte d’énergie du système de pulsar binaire. Et si cette énergie était celle emportée par l’onde gravitationnelle ?
Hulse et Taylor reprendront les équations de la relativité et prouveront que la quantité d’énergie perdue est compatible avec les prédictions d’Einstein. Preuve indirecte de l’existence des ondes gravitationnelles qui a valu aux deux radioastronomes le prix Nobel de physique en 1993.

Avec cette démonstration, un challenge restait ouvert : détecter directement ces ondes, c’est-à-dire mesurer la déformation de l’espace-temps qu’elles produisent.

Un certain 14 septembre 2015

Vue aérienne du détecteur LIGO Handford - Crédit photo : collaboration LIGO

Vue aérienne du détecteur LIGO Handford – Crédit photo : collaboration LIGO

La détection de la déformation infime provoquée par ces ondes gravitationnelles n’a en réalité été rendue possible qu’avec l’arrivée des deux expériences VIRGO et LIGO, l’une située en Italie et la seconde située aux Etats-Unis et réunissant en réalité deux détecteurs : LIGO handford (état de Louisiane) et LIGO Livingston (état de Washington). Le fonctionnement de ces trois instruments repose sur le même principe : mesurer le temps de parcours de la lumière dans deux directions perpendiculaires l’une à l’autre. Ceci afin de détecter une éventuelle modification de temps de parcours lorsqu’une onde gravitationnelle vient étirer ou contracter l’espace-temps dans une de ces directions.

Dans les faits, un faisceau laser est séparé en deux faisceaux qui parcourent chacun un « bras » de plusieurs kilomètres de long (4 km pour LIGO et 3 km pour VIRGO). Arrivés au bout de chaque bras, les faisceaux sont réfléchis vers leur point d’émission. Afin d’augmenter la sensibilité des instruments, les faisceaux effectuent plusieurs centaines d’allers-retours dans un bras. Au bout de cette série d’allers-retours les deux faisceaux sont recombinés. On parle d’interférences[5] pour qualifier la recombinaison de ces deux faisceaux, d’où le nom d’interféromètre pour qualifier les deux instruments. Selon la distance parcourue par la lumière, ces interférences peuvent conduire à l’annihilation de la lumière des deux faisceaux (interférences destructives) ou bien produire des variations d’intensité lumineuse jusqu’à un maximum d’intensité (interférences constructives). Les scientifiques de VIRGO et LIGO ont construit leurs instruments de telle sorte que lorsqu’aucune onde gravitationnelle ne traverse un bras de l’interféromètre les faisceaux s’annihilent. Depuis plus de 10 ans ils étaient donc en attente de l’apparition de lumière au bout de leurs interféromètres.

Schéma de principe d'un interféromètre tel que ceux de VIRGO et LIGO - Source : wikipédia Creative Commons

Schéma de principe d’un interféromètre tel que ceux de VIRGO et LIGO – Source : wikipédia Creative Commons

En toute logique, il est extrêmement difficile de s’assurer que l’apparition d’un signal est effectivement due à une onde gravitationnelle. De nombreuses perturbations peuvent modifier la longueur de chaque bras : circulation routière, tremblements de terre, variations de température … VIRGO ressent par exemple les vagues de la Méditerranée. Dans ce cas, différents instruments situés à des milliers de kilomètres les uns des autres deviennent primordiaux. Les perturbations de l’un ne sont pas les mêmes que celles de l’autre. Plusieurs signaux visibles simultanément sont donc un indice convaincant du passage d’une onde gravitationnelle. Les deux collaborations avaient donc signé un accord pour mettre en commun toutes leurs recherches.

Le 14 septembre dernier alors que VIRGO était en maintenance pour l’amélioration de ses capacités de détection, les deux détecteurs de LIGO enregistraient un signal espéré depuis près de 100 ans. L’expérience américaine, alors en redémarrage venait à priori de mettre le doigt sur une onde gravitationnelle en l’absence de signal chez son compère européen à l’arrêt. Sans cette détection par VIRGO, les vérifications ont pris du temps. Et c’est seulement le 11 février 2016 que les deux expériences annonçaient la mise en évidence des ondes gravitationnelles. Celles-ci ont été produites par la rotation de deux trous noirs l’un autour de l’autre. Chacun faisant près de 30 fois la masse du Soleil. Les scientifiques de LIGO, beaux joueurs ont convié leurs collègues de VIRGO à la fête pour signer conjointement une publication scientifique qui devrait à n’en pas douter valoir un prix Nobel.

Signal de détection des ondes gravitationnelles perçu par LIGO le 14 septembre 2015. Ces trois graphes représentent la distorsion des distances parcourues par la lumière (strain) dans les bras de l'interféromètre en fontion du temps. Les prédictions d'Einstein y sont comparées aux données enregistrées à Handford et Livingston. Les signaux collectés auprès de ces deux interféromètres sont ensuite comparés l'un à l'autre. - Crédit : Caltech/MIT/LIGO Lab

Signal de détection des ondes gravitationnelles perçu par LIGO le 14 septembre 2015. Ces trois graphes représentent la distorsion des distances parcourues par la lumière (strain) dans les bras de l’interféromètre en fontion du temps. Les prédictions d’Einstein y sont comparées aux données enregistrées à Handford et Livingston. Les signaux collectés auprès de ces deux interféromètres sont ensuite comparés l’un à l’autre. – Crédit : Caltech/MIT/LIGO Lab

Et maintenant ?

Au-delà de l’ajout d’un nouveau succès pour la théorie de la relativité générale proposée par Einstein, la possibilité maintenant acquise de détecter des ondes gravitationnelles ouvre un territoire nouveau dans le domaine de l’astronomie et de l’astrophysique. Jusqu’à présent scruter le ciel se bornait à recueillir les ondes électromagnétiques (lumière visible et invisible) émises par les constituants de notre Univers. Ceci nous a déjà fourni un bon nombre d’informations sur la dynamique des objets qui nous entourent. Mais certaines zones d’ombre persistent et la relativité générale aussi a ses faiblesses. Ainsi, des structures comme les trous noirs nous étaient inaccessibles car elles n’émettent aucune lumière et piègent celle passant dans leur voisinage. Aucun moyen donc d’aller y tester les équations de la relativité avec nos télescopes usuels. De la même manière, lors des premiers instants de la formation de l’Univers (Big Bang) la matière était si dense qu’elle ne laissait aucune lumière s’échapper. Les premières lueurs de l’Univers nous resterons donc invisible à tout jamais.
Les ondes gravitationnelles ne se heurtent pas aux mêmes contraintes. La détection du 14 septembre dernier est ainsi la première observation directe d’un trou noir. Et bientôt qui sait, les ondes gravitationnelles émises lors des Ages sombres de notre Univers jetteront une lumière nouvelle sur la compréhension de ce que peut-être le Big Bang.
Il faudra pour cela continuer d’exploiter les données acquises par VIRGO et LIGO mais aussi se tourner vers de nouveaux projets. C’est le cas avec le projet LISA, un interféromètre spatial dont les bras seront délimités par 3 satellites espacés d’un million de kilomètre. Avec un lancement prévu en 2034, LISA devrait s’affranchir des perturbations connues par LIGO et VIRGO. Un problème reste posé : comment garantir une distance constante entre ses 3 satellites ?

Affaire à suivre …

[1] En 1915, Einstein a déjà posé les bases d’une première théorie de la relativité. Celle-ci s’intéresse aux notions de temps et d’espace. Dans cette relativité restreinte, Einstein lie ces deux notions et propose de ne plus les considérer comme indissociées mais bien comme un ensemble d’un espace en 3 dimensions plus une dimension temporelle : l’espace-temps. Les conséquences de la relativité restreinte sont merveilleusement transposées à notre quotidien dans l’ouvrage M. Tompkins au pays des merveilles de G. Gamov. Ouvrage malheureusement difficile à trouver en librairie. Pour la compréhension de cet article de blog, il n’est pas nécessaire d’avoir une compréhension fine des conséquences de la relativité restreinte.
[2] Selon sa célèbre formule E=mc² qui dit qu’un corps de masse m possède une énergie « de masse » E égale à sa masse multipliée par la vitesse de la lumière c au carré.
[3] Pour rappel, un atome a déjà une taille 10 milliards de fois plus petite que le mètre.
[4] Une étoile à neutron est un astre, résidu de l’effondrement du cœur d’une étoile lorsque celle-ci a consommé tout son combustible nucléaire. De tels astres sont produits dès lors que la masse de l’étoile initiale dépasse de 8 fois mais reste en deçà de 40 fois celle du Soleil. De tels astres génèrent des ondes électromagnétiques (radio) intenses et leur rotation peut orienter le faisceau d’ondes vers la Terre. Lorsque c’est le cas, cette impulsion radio captée à intervalles réguliers leur a valu l’appellation de pulsar.
[5] Pour les curieux, ces interférences sont liées au fait que la lumière est une onde. Nous vous l’avions bien dit que la notion d’onde était incontournable !

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