Nos tutelles

Nos partenaires

annuaire

aigle

Rechercher




Accueil > Science pour tous

Ondes gravitationnelles, une révolution en marche !

publié le

Par Denis GIALIS - Revue Espace & Astrophysique

Historique, l’événement est tout simplement historique ! Tout comme l’avait été l’annonce de la découverte du boson de Higgs en 2012, celle de la détection d’ondes gravitationnelles en ce 11 février 2016 est l’un des événements les plus marquants de la recherche en astrophysique de ces cent dernières années.

David Reitze, directeur exécutif du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), situé dans l’état de Washington aux Etats-Unis, fait une conférence de presse historique au cours de laquelle il confirme les rumeurs qui circulaient depuis plusieurs mois déjà dans les milieux scientifiques : « We have detected gravitational waves. We did it ! » déclare-t-il dans ses premiers mots face aux journalistes du monde entier. Après de nombreuses vérifications, il n’y a plus aucun doute. Le 14 septembre 2015 à 11h51 heure de Paris précisément, les détecteurs du LIGO ont enregistré un signal, correspondant en durée et en fréquence à ce que l’on appelle des ondes gravitationnelles, en provenance d’un système binaire composé de deux trous noirs en train de fusionner et situé à plus de 400 Mpc. Cet événement a même déjà reçu un nom : GW150914.

Pour bien comprendre ce dont il s’agit, il faut savoir que cela fait presque trente-cinq ans que J. H. Taylor et J. M. Weisberg ont commencé à observer les effets des ondes gravitationnelles en mesurant la diminution de la période de rotation du pulsar binaire PSR B1913+16, mais jamais aucune observation directe n’avait été faite jusqu’à ce jour.

Fig. 1 - Vue aérienne du LIGO Hanford Observatory (Etats-Unis). Les bras de l’interféromètre géant mesurent près de 4 km. Crédit image : http://www.ligo.org

Aujourd’hui, c’est donc une découverte scientifique majeure qui d’une part confirme les prédictions qu’Albert Einstein a fait il y a exactement cent ans lorsqu’il présenta la théorie de la relativité générale et qui, d’autre part, démontre pour la première fois de façon observationnelle qu’un phénomène aussi violent que la fusion de deux trous noirs peut se produire dans notre Univers. Mais ce n’est pas tout. C’est également une avancée fondamentale en astrophysique observationnelle car cela prouve qu’il est possible d’étudier des phénomènes cataclysmiques lointains, produisant des ondes gravitationnelles, et difficilement observables par les moyens optiques habituels. Ce 11 février 2016 marquera donc la naissance de l’astronomie gravitationnelle, une nouvelle façon d’explorer l’Univers, et c’est bien une révolution qui est en marche !

Que sont les ondes gravitationnelles ?

La théorie de la relativité générale est l’une des théories les plus abouties et les plus importantes de la physique contemporaine. Énoncée par Albert Einstein au début du siècle dernier (1915-1916), elle propose une construction géométrique de l’espace-temps dont les propriétés - comme la distance spatio-temporelle entre deux points - sont intimement liées à son contenu physique, à savoir, la matière (ou énergie) présente dans l’Univers. C’est la signification simple et profonde de la célèbre équation d’Einstein reliant la courbure de l’espace-temps avec son contenu en énergie, c’est-à-dire la masse. Et c’est justement grâce à ce lien entre l’espace-temps et la masse qu’il a été possible d’imaginer la naissance d’ondes gravitationnelles.

En effet, ces dernières ne représentent rien d’autres que la manifestation d’une perturbation de la courbure de l’espace-temps créée par une masse en mouvement. En d’autres termes, tout comme une pierre que l’on jette dans l’eau produit des ondes à la surface d’un lac, toute masse en mouvement accéléré crée des ondes gravitationnelles en modifiant l’espace-temps qui l’entoure. Une des différences est que ces ondes sont quadripolaires - on parle aussi d’ondes tensorielles transversales - c’est-à-dire qu’elles ne peuvent être produites que s’il n’y a pas de symétrie sphérique et de symétrie axiale dans les mouvements de la masse qui les génère.

En outre, leur amplitude décroît également plus vite avec la distance que l’amplitude d’une onde monopolaire (par exemple, une onde sonore crée par une pierre dans un lac) ou que celle d’une onde dipolaire (par exemple, l’onde radio créée par une antenne). Enfin, bien que, par nature, elles soient différentes des ondes électromagnétiques, il est remarquable que les ondes gravitationnelles se propagent dans l’Univers à la même vitesse que la lumière. L’inconvénient est qu’elles interagissent très peu avec la matière qu’elles traversent, ce qui rend leur détection très difficile, mais l’avantage est qu’elles traversent l’Univers sans être absorbées par les objets qu’elles rencontrent.

Lorsqu’elles sont produites par de petites masses, ces ondes restent extraordinairement faibles en amplitude et sont donc inobservables. Il faut qu’elles soient générées par des astres de plusieurs masses solaires concentrées dans des régions suffisamment petites de l’espace-temps et accélérées à des vitesses comparables à celle de la lumière pour commencer à être détectables par nos instruments actuels. Dans des phénomènes violents comme la fusion d’étoiles à neutrons ou de trous noirs, l’énergie libérée et transportée par ces ondes à travers l’espace peut être colossale.

Par exemple, lors de la fusion des deux trous noirs du 14 septembre dernier, dont les masses étaient estimées à 36 et 29 fois la masse du Soleil, les scientifiques ont calculé que la puissance maximale émise sous la forme d’ondes gravitationnelles était dix fois plus importante que la puissance émise sous forme de lumière par l’ensemble des étoiles et des galaxies de l’Univers observable. Cela correspond à la transformation en énergie (E=mc2) de trois fois la masse du Soleil et ce, en seulement cinq secondes !

Comment les détecter ?

La relativité générale a connu, dès le début du vingtième siècle, plusieurs tests expérimentaux décisifs qui lui ont permis de se démarquer de la vieille théorie de la gravitation de Newton. Le premier était la prédiction exacte de l’avance du périhélie de Mercure, la planète la plus proche du Soleil, dont l’orbite subit déjà les effets d’une faible courbure de l’espace-temps au voisinage du Soleil. Le second test était la déviation des rayons lumineux qui passent près d’un astre suffisamment massif. Il fût réalisé en premier par Sir Arthur Eddington, le 29 mai 1919, lors d’une éclipse totale de Soleil, pendant laquelle il observa les positions relatives entre les étoiles les plus lumineuses de l’amas des Hyades. Lors du passage du Soleil devant cet amas, les infimes variations de positions correspondaient précisément à ce que la relativité prévoyait !

L’observatoire LIGO

Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) est un projet entièrement dédié à la détection des ondes gravitationnelles et réalisé grâce à la collaboration de nombreuses universités américaines dont notamment les prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT) et California Institute of Technology (Caltech). Concrètement, LIGO est composé de deux observatoires, l’un à Livingston en Louisiane et l’autre à Handford dans l’état de Washington. Ces deux sites sont séparés de plus de 3000 kilomètres : lorsqu’une onde gravitationnelle arrive, à la vitesse de la lumière, et qu’elle est détectée, elle n’atteint pas les deux détecteurs en même temps. Les décalages temporels mesurés, qui vont jusqu’à une dizaine de millisecondes, permettent de déterminer la direction d’où provient l’onde et donc la source.
L’histoire commence dès le début des années soixante, lorsque des scientifiques - comme J. Weber, M. E. Gertsenshtein et V. I. Pustovoit - conçoivent les premiers prototypes d’interféromètres laser dédiés à la recherche d’ondes gravitationnelles. Ceux-ci ne tardent pas à être construits dans les années qui suivent par des scientifiques du Hughes Research Laboratories, du MIT et de l’université de Garching (en Allemagne). Tous ces projets ont été vivement soutenus par les travaux du célèbre astrophysicien Kip Thorne du MIT, dont les résultats, sur le plan théorique, ont montré qu’il était tout à fait possible de détecter des ondes gravitationnelles.
Mais il a fallu attendre la fin des années quatre-vingt pour que soit réuni les fonds permettant la mise en place du projet LIGO avec un important soutien de la National Science Foundation (NSF). Après des débuts difficiles dans les années quatre-vingt-dix où l’absence de résultat s’accordait mal avec la recherche de budget, le projet a repris vie dans les années 2000 avec une amélioration significative des performances de détection : le projet prend alors successivement les noms de Enhanced LIGO et de Advanced LIGO.
Ce n’est qu’en septembre 2015 que l’Advanced LIGO fait ses premières observations avec des détecteurs quatre fois plus sensibles que ceux utilisés initialement dans le projet. La détection de l’évènement GW150914 du 14 septembre 2015 marque donc l’aboutissement concret de longues années de recherches et d’efforts pour construire des détecteurs suffisamment sensibles aux ondes gravitationnelles. Enfin, il faut savoir que les détecteurs de LIGO ne deviendront pleinement opérationnels qu’en 2021, ce qui signifie que l’astronomie gravitationnelle n’en est qu’à ses débuts…


Le succès fût énorme et fît la une de la presse mondiale. Cela marqua la consécration d’Einstein et lui apporta une renommée internationale inégalée. Les mesures de la déviation de la lumière ont été confirmées à de nombreuses reprises depuis presque cent ans.

Quant aux ondes gravitationnelles, cela fait plus de cinquante que les scientifiques essaient de construire, en vain, des expériences menant à leur détection. On peut citer notamment des physiciens comme Joseph Weber ou Vladimir Braginsky, qui dès 1960, utilisaient des barres d’aluminium cylindriques, pesant plusieurs centaines de kilogrammes, suspendues dans un chambre à vide et refroidies à quelques degrés Kelvin seulement. Ils espéraient ainsi détecter des vibrations produites par le passage d’une onde gravitationnelle. Bien qu’astucieux, ce fût un échec, on ne pouvait distinguer les vibrations dues aux ondes des vibrations naturelles causées par l’environnement.

Fig. 2 - Principe de l’interféromètre de Michelson. Une onde lumineuse est séparée en deux ondes qui parcourent chacune un bras différent avant d’être réfléchies par deux miroirs (M1 et M2) puis recombinées pour donner des figures d’interférences sur un écran. Une onde gravitationnelle perturbant le système conduit à une modification mesurable des figures d’interférences.

En 1974, Russel Hulse et Joseph Taylor, lauréats du prix Nobel de physique de 1993, ont découvert un système binaire composé d’une étoile à neutrons et d’un pulsar. L’objet, baptisé PSR B1913+16, a permis d’apporter quelques années plus tard les preuves indirectes de l’existence des ondes gravitationnelles suivant une technique simple, encore utilisée de nos jours. Celle-ci consiste à mesurer la diminution de la période de rotation orbitale dans des systèmes binaires afin d’en déduire l’énergie émise sous forme d’ondes gravitationnelles. Mais comment les détecter directement ?

La solution est venue de l’utilisation des propriétés ondulatoires de la lumière. Pour cela il faut se munir d’un interféromètre. C’est un appareil permettant de séparer un front d’onde électromagnétique, un rayon de lumière, en deux morceaux et de les recombiner ensuite. A quoi cela sert-il ? Si les rayons de lumières parcourent séparément deux distances légèrement différentes, leur recombinaison conduit à l’observation d’une figure d’interférence qui correspond à la superposition des ondes lumineuses et qui ressemble à une succession de franges ou de zones claires et de franges sombres. Ainsi, toute variation des distances parcourues par la lumière dans le dispositif aboutit à des modifications de contraste dans cette figure d’interférence.

Un tel procédé, appelé interférométrie, a été décrit pour la première fois par Hippolyte Fizeau, au milieu du dix-neuvième siècle, puis développé par Albert Michelson et Francis Pease au début du siècle dernier. Depuis les années soixante-dix et sous l’impulsion du français Antoine Labeyrie, il est couramment utilisé en astronomie observationnelle aussi bien avec des télescopes dans le domaine optique qu’avec des radiotélescopes ; les instruments jouent bien sûr les collecteurs de lumière en amont du dispositif. Cette technique permet d’obtenir une résolution inégalée sur les objets observés qui est équivalente à celle que l’on aurait avec des instruments d’une taille égale à la séparation des télescopes !

Mais quel est le lien avec les ondes gravitationnelles ?

L’idée est simple, mais au lieu d’injecter dans l’interféromètre de la lumière issue des objets de l’Univers, on utilise des rayons laser monochromatiques. Ce qui est intéressant et important ici, ce n’est pas la nature ni l’origine de la lumière, mais plutôt l’analyse des perturbations qu’elle va subir. Reprenons : un interféromètre de type Michelson est constitué de deux bras perpendiculaires (voir Fig.1 et 2). Lorsqu’un rayon lumineux pénètre dans l’interféromètre il est séparé en deux au point d’intersection des deux bras. Au bout de chacun des bras, un miroir permet aux rayons lumineux de faire un aller-retour afin de pouvoir être recombinés.

Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse le dispositif, la longueur des bras, c’est-à-dire la distance parcourue par les rayons lumineux varie très légèrement. Évidemment, plus la longueur des bras est longue et plus la variation sera importante. Les interféromètres ont généralement une taille de un à deux mètres dans les laboratoires d’optique. Ils ne sont pas conçus pour détecter une onde gravitationnelle. Pour faire cela, il a fallu construire des dispositifs dont la taille est de plusieurs kilomètres (4 km exactement pour LIGO).

Un projet extraordinaire du nom de eLISA

Le projet eLISA est un projet très ambitieux de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) de construction d’un interféromètre laser dans l’espace à l’horizon 2034. Un des avantages de ce dispositif est de s’affranchir des bruits perturbant les montages interférométriques terrestres, comme par exemple les ondes sismiques naturelles.
L’idée est de lancer trois satellites séparés d’une distance d’un million de kilomètres formant ainsi un interféromètre géant ayant la forme d’un triangle équilatéral incliné de soixante degré par rapport au plan de l’écliptique et suivant la Terre dans son mouvement autour du Soleil.
On parle alors de deux satellites fils et d’un satellite père qui émet deux rayons laser, pointant chacun en direction d’un satellite fils (voir Fig. 4). Lorsqu’une onde gravitationnelle arrive sur cet interféromètre, la distance entre les satellites est perturbée, mais contrairement aux interféromètres terrestres, les lasers émis par le satellite père ne sont pas réfléchis car la distance de séparation est bien trop grande entre les satellites, et entraîne une perte de signal trop importante. Pour pallier cet inconvénient, il est prévu que chacun des satellites fils génère lui-même le signal qu’il réémet en conservant la phase du signal reçu du satellite père afin de permettre une recombinaison finale et un phénomène d’interférence lumineuse.
Étant donnée sa taille gigantesque, l’interféromètre d’eLISA pourra alors détecter des ondes gravitationnelles sur une bande de fréquences - typiquement entre 0,1 mHz et 1 Hz - complémentaire de celle des instruments terrestres qui sont comprise entre 10 Hz et plusieurs milliers de Hz. Cette particularité permettra d’observer des ondes gravitationnelles d’origine galactique issues par exemple de notre centre galactique comme des ondes gravitationnelles extra-galactiques ou primordiales. Il constituera ainsi le meilleur outil dont disposera l’astronomie gravitationnelle notamment dans l’étude des trous noirs supermassifs ou pour sonder l’Univers profond.


Une des nombreuses difficultés technologiques est que les bras sont en réalité des tubes dans lesquels un vide poussé est réalisé afin de ne pas perturber la propagation des faisceaux laser. La précision dans les mesures de variations de distance atteint alors le centième de la taille d’un proton ! Il faut savoir que les deux principaux observatoires dans le monde - à savoir LIGO (aux Etats-Unis) et VIRGO de l’European Gravitational Observatory (en Italie) - sont en fonctionnement depuis plus de dix ans, mais jusqu’alors aucun signal n’avait pu être détecté. Ce n’est qu’en perfectionnant longuement son dispositif interférométrique que LIGO a pu atteindre la précision requise pour observer les ondes gravitationnelles (voir encadré 1).

Les ondes gravitationnelles dans l’Univers

Pourquoi les ondes gravitationnelles sont-elles si importantes dans notre compréhension de l’Univers ? Pour répondre à cette question, revenons encore au début du siècle dernier. En 1916, peu de temps après la prédiction des ondes gravitationnelles par Einstein, un astrophysicien allemand, Karl Schwarzschild, démontre que le concept de trou noir, objet si compact, à la gravité de surface si forte, que même la lumière ne peut s’en échapper, était parfaitement compatible avec la relativité générale. Si ces objets restent invisibles, il n’en est pas de même de leur environnement immédiat qui souvent libère une quantité phénoménale d’énergie - sous forme de rayonnement - avant de plonger dans le cœur du monstre et de disparaître à jamais.

Cela permet de repérer les trous noirs sans même les voir et même de connaître leur masse qui varie de quelques masses solaires, pour les trous noirs stellaires, à plusieurs centaines de millions de masses solaires pour les trous noirs supermassifs. Par exemple, depuis quelques décennies, on sait que la plupart des galaxies de l’Univers, dont la Voie Lactée, abritent en leur centre un trou noir supermassif formé au cours de l’évolution de leur galaxie hôte. Les trous noirs stellaires ne seraient quant à eux que le stade ultime d’évolution de certaines étoiles massives ayant subi une explosion de type supernova ainsi qu’un effondrement de leur cœur.

Certes, il y a eu depuis cinquante ans d’immenses progrès en matière d’observation indirecte de trous noirs, mais des avancées décisives ont été faites durant la dernière décennie dans la modélisation informatique de certains phénomènes. L’un d’eux concerne justement les mécanismes de fusion de deux trous noirs dans un système binaire. De tels systèmes peuvent sembler ne pas évoluer durant des milliards d’années mais, en perdant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, les deux trous noirs se rapprochent peu à peu. Leurs orbites se modifient jusqu’à devenir instables. Le processus s’accélère alors brusquement, et en quelques fractions de seconde les deux trous noirs rentrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière et fusionnent pour donner un unique trou noir plus massif. On parle de coalescence.

Fig. 3 - Simulation de la coalescence de deux étoiles à neutrons. Le résultat final est un trou noir de plusieurs masses solaires. Crédit image : Price & Rosswog.

Numériquement, les modèles ont permis de calculer, en accord avec les prédictions de la relativité générale, les caractéristiques précises des ondes gravitationnelles émises lors de ce ballet final. C’est grâce à cela que l’on a su identifier le signal détecté par l’interféromètre LIGO et que ce dernier a pu être interprété comme une preuve directe de l’existence des trous noirs. Les répercussions sont immenses car d’autres phénomènes produisent également des ondes gravitationnelles. Comme nous l’avons vu plus haut, pour faire des ondes gravitationnelles, il faut accélérer des astres suffisamment massifs et compacts. C’est donc le cas de toute une variété de systèmes binaires dans la phase ultime de leur vie, c’est-à-dire avant le collapse final : il y a les couples étoile à neutrons - trou noir, étoiles à neutrons double, étoile supermassive - naine blanche,…

Mais une classe d’objets est directement issue de la coalescence d’objets compacts : ce sont les sursauts gamma courts. Rappelons qu’il s’agit d’objets qui produisent une forte émission électromagnétique, principalement dans les domaines X et gamma, pendant un temps qui peut varier de la demi-seconde à quelques dizaines de secondes. L’interprétation standard est que cette émission est produite par un jet de particules ultra-relativistes produit juste après la formation de l’objet central, un trou noir. Jusqu’à présent, l’essentiel de l’information provenait des observations multi-longueurs d’onde de photons.

Le problème est que le lancement du jet se fait dans une région optiquement épaisse. Le vent relativiste ne devient transparent qu’après avoir parcourue une certaine distance dans l’espace. Autrement dit, les photons produits à ce moment-là ne peuvent pas sortir du jet naissant et encore moins parvenir jusqu’à nos instruments. C’est pour cette raison que l’on manque cruellement d’informations observationnelles dans la phase précoce de ce phénomène. Cependant, les modèles théoriques indiquent que l’essentiel de l’énergie émise lors des sursauts gamma est sous forme d’ondes gravitationnelles. La naissance d’une astronomie gravitationnelle apparaît donc comme une révolution dans l’étude des sursauts gamma car cela va permettre de plonger littéralement au cœur de ces objets en apportant des éléments d’informations essentielles à la compréhension de leur origine et de leur évolution.

Dans une moindre mesure, les supernovæ peuvent également produire des ondes gravitationnelles. Elles expulsent à des vitesses très élevées une grande quantité de matière en un temps très bref. Lorsque l’explosion de la supernova est légèrement dissymétrique, l’espace-temps lui-même peut être ébranlé par la violence du phénomène et cela crée, durant un bref instant, des ondes gravitationnelles.

De plus, les supernovæ marquent la naissance d’objets compacts comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs. Le processus de formation amènent à la création d’un disque de matière, appelé disque d’accrétion, autour de l’objet central. Celui-ci est constitué par la matière qui a été éjectée par l’étoile lors de l’explosion. Cette matière, lorsqu’elle retombe sur l’objet central, le fait « vibrer » et génère donc également des ondes gravitationnelles.

Effet des ondes gravitationnelles sur la matière

On peut visualiser les effets d’une onde gravitationnelle sur des particules massives disposées en cercle. Lorsque l’onde arrive dans la direction de son axe de symétrie, la déformation qu’il subit est alors différente selon la direction transverse considérée.
Autrement dit, une onde gravitationnelle peut être caractérisée par une direction de polarisation, tout comme une onde électromagnétique. En fait, elle peut même avoir deux types de polarisations : un mode de polarisation x et un mode de polarisation + dont les effets sont différents (voir Fig. 5), mais qui conduisent tous les deux simultanément à une contraction et à une dilatation des longueurs dans deux directions perpendiculaires. L’effet de l’onde est en revanche nul si sa direction d’arrivée est dans le plan du cercle.
Quelle est l’amplitude relative de cette déformation ? Au voisinage de deux trous noirs d’une dizaine de masses solaires qui fusionnent, elle peut être égale à 1 : cela veut dire qu’un astronaute subirait des déformations aussi grandes que son corps. Évidemment, il n’y survivrait pas ! Mais lorsqu’on s’éloigne à plus d’un milliard de kilomètres, l’amplitude n’est plus que de l’ordre de 10-21, ce qui signifie qu’avec un détecteur dont la taille est celle de la Terre, soit environ 10000 km, la déformation est de seulement 10-14 mètre soit dix fois environ le diamètre d’un noyau atomique !
On comprend dès lors quel niveau de précision il faut pour pouvoir mesurer des variations de longueur sur les instruments…


Changeons à présent d’échelle et intéressons-nous aux collisions de galaxies. Comme nous l’avons rappelé précédemment, chaque galaxie est susceptible d’abriter en son cœur un trou noir supermassif de plusieurs centaines de millions de masses solaires. Que se passe-t-il lorsque deux galaxies entrent en collision ? Pour les étoiles qui les composent, pas grand-chose. Les chances pour que deux étoiles se percutent sont extrêmement faibles. En effet, la distance moyenne entre deux étoiles est si importante que l’on peut dire qu’une galaxie est pleine de vide ! En revanche, la forme des galaxies et la répartition des étoiles en leur sein sont complètement bouleversées.

De la même façon, les interactions gravitationnelles entre les deux trous noirs centraux sont très fortes ce qui signifie que la naissance d’un système binaire composée de trous noirs supermassifs est généralement le résultat d’une telle rencontre. La production d’ondes gravitationnelles est alors incontournable et atteint, là encore, son apogée lorsque la fusion des deux trous noirs se produit. On voit donc comment la détection de ces ondes apporterait de précieuses informations sur un tel processus si fondamental dans la compréhension de l’histoire et de l’évolution des galaxies que l’on observe.

Enfin, la révolution apportée par la détection des ondes gravitationnelles concerne également la cosmologie et l’histoire des origines de l’Univers.

Tout d’abord, il faut rappeler que l’hypothèse de l’existence d’une énergie sombre - constituant plus de 70% du contenu en énergie de l’Univers - est toujours très débattue dans la communauté scientifique, et l’enjeu est de taille car la nature et l’origine de l’énergie sombre conditionne toute l’histoire passée et future de l’Univers. Cette énergie intervient, bien sûr, dans les équations de la relativité générale et structure le champ gravitationnel et la géométrie de l’Univers aux échelles cosmologiques. L’étude des propriétés des ondes gravitationnelles - en tant que messagères de l’information sur les variations du champ gravitationnel - apparaît donc comme essentielle dans la compréhension de l’énergie sombre. Cela permettra, peut-être, de trancher enfin la question même de son existence.

Vue d’artiste de eLISA qui sera le premier observatoire spatial d’ondes gravitationnelles, capable d’observer les ondes émises par les trous noirs supermassifs - Crédit : ESA

Par ailleurs, d’autres ondes gravitationnelles intéressent également les cosmologistes. Selon la théorie du Big Bang et afin de rendre compte de l’homogénéité en température observée à l’échelle cosmologique, l’Univers a connu une phase primordiale, appelée inflation, durant laquelle il a subi une expansion extrêmement forte passant, en seulement 10-32 seconde, d’une taille inférieure à celle d’un proton à une taille au moins 1030 fois plus grande ! Les modèles théoriques prévoient que la quantification du champ gravitationnel couplée à l’extraordinaire expansion de l’espace durant la phase inflationnaire est à l’origine de la production d’ondes gravitationnelles que l’on qualifie de primordiales et dont le passage se traduit par des signaux caractéristiques, appelés les modes B, dans le fameux fond diffus cosmologique (ou CMB), appelé aussi rayonnement 3K.

Il faut bien comprendre que cet épisode dans l’évolution de l’Univers a eu lieu bien avant que celui-ci ne devienne transparent aux photons, c’est-à-dire bien avant l’émission du CMB, 380000 ans après le Big Bang. Les ondes gravitationnelles primordiales, qui parcourent encore de nos jours notre espace-temps sont donc des témoins directs qui permettent de sonder les phases les plus précoces de la naissance de l’Univers qui jusque-là étaient restées inaccessibles via les moyens d’observations optiques. De plus, elles ont également traversé une époque durant laquelle l’Univers n’émettait que très peu de rayonnement électromagnétique et que l’on appelle les « âges sombres ». Cette époque correspond à la période qui sépare l’émission du CMB à la naissance des premières étoiles et sur laquelle nous n’avons aujourd’hui que très peu de données observationnelles. Là encore les ondes gravitationnelles primordiales pourraient peut-être nous en apprendre plus ?

Notons qu’en 2014, une expérience du nom de BICEP2 a cru enfin avoir la preuve de l’existence de ces ondes en mesurant de subtiles variations dans la polarisation du CMB. Mais les résultats ont été infirmés quelques mois plus tard par les données du satellite Planck, chargé justement d’étudier précisément le CMB. Gageons que les nouveaux détecteurs utilisés dans les expériences du type LIGO permettront enfin de prouver l’existence des ondes gravitationnelles primordiales.

En conclusion, la détection d’ondes gravitationnelles par LIGO apparaît comme une véritable révolution et ce, à plusieurs égards : dans la compréhension des objets compacts binaires comme les trous noirs, les étoiles à neutrons, mais aussi les sursauts gamma ou les supernovæ. Tous ces objets qui peuplent notre Univers n’étaient observables jusqu’à présent que par des moyens optiques ce qui limitait fortement les informations physiques que l’on possédait. Les émissions électromagnétiques sont produites essentiellement par des particules chargées accélérées ou chauffées, mais elles sont sans cesse réabsorbées et réémises. Elles nous renseignent seulement sur une partie du contenu, la matière visible, mais pas sur le reste, la matière invisible et le contenant, à savoir l’espace-temps.

Les ondes gravitationnelles, en revanche, ont le sérieux avantage de traverser l’espace-temps sans être absorbée par la matière, et elles emportent avec elles la signature des phénomènes les plus sombres, les plus violents et les plus énergétiques de notre Univers, en d’autres termes, tout ce qui peut ébranler l’espace-temps.

Fig. 5 - Effets d’une onde gravitationnelle sur des particules disposées en cercle. En haut, l’onde est polarisée +, et en bas, l’onde est polarisée x. Dans les deux cas la déformation se fait dans deux directions perpendiculaires. L’amplitude h(t) de l’onde est également représentée. Crédit image : IN2P3.

Kip Thorne, éminent chercheur du MIT et grand spécialiste de la relativité générale, illustre par une jolie image cette idée : imaginons un instant que les ondes gravitationnelles que l’on reçoit soient transformées en ondes sonores. Alors, ce que l’on pourrait entendre serait une symphonie produite par chacun des objets que l’on observe. Cette symphonie des rides de l’espace-temps nous donnerait toutes les caractéristiques physiques de celui qui l’a émis. Par exemple, pour un trou noir binaire, elle nous révèlerait la masse de chacun des trous noirs, la vitesse à laquelle ils tournaient l’un autour de l’autre, la forme de leur orbite, l’instant où ils ont fusionné, ou bien encore la distance à laquelle ils se trouvent par rapport à la Terre.

La naissance d’une astronomie gravitationnelle nous ouvre aujourd’hui les portes d’un nouvel Univers en donnant accès directement la structure locale de l’espace-temps au voisinage des objets compacts tels que les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Enfin, la cosmologie a beaucoup à gagner dans la détection des ondes gravitationnelles primordiales : peut-être cela permettra de confirmer ou d’infirmer certains scenarii très discutés et débattus au sein de la communauté scientifique concernant par exemple la naissance de notre Univers, ou la présence d’énergie sombre. Quelles seront alors les conséquences pour la théorie du Big Bang ? Dans tous les cas, un nouveau pas vient d’être franchi et l’histoire des ondes gravitationnelles ne fait que commencer !

Pour aller plus loin sur les ondes gravitationnelles

- http://www.ligo.org
- https://www.ligo.caltech.edu/LA
- A la poursuite des ondes gravitationnelles, P. Binetruy, 2015, Ed. Dunod
- Trous noirs et distorsions du temps, K. Thorne, 1997, Champs Flammarion.
- Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, B. P. Abbott et al., Physical Review Letters, 12 february 2016.
- Cosmologie primordiale, P. Peter et J.-P. Uzan, Ed. Belin, 2005.
- Relativité Générale & Astrophysique, D. Gialis et F.-X. Désert, Ed. EDP Sciences, 2015.


* Astrophysicien sans poste, Denis Gialis est spécialiste des processus d’accélération et de l’émission à haute énergie des particules au voisinage des objets compacts (trous noirs, étoiles à neutrons...) et dans les écoulements relativistes (vents de sursauts gamma, jets de noyaux actifs de galaxie...). Il survit en étant professeur dans l’enseignement supérieur privé. Il a publié récemment, avec F.X. Désert (directeur de l’IPAG), un ouvrage de problèmes en relativité générale à l’occasion du centenaire de cette théorie.

Du même auteur, sur le même site :

- Les Trous Noirs, futures sources d’énergie ?
- Sursauts gamma, les plus prodigieuses explosions de l’Univers

Visitez le site personnel de Denis Gialis