Observation d’ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs

Tel est le titre de l’article publié le 11 février dans Physical Review Letters par la collaboration LIGO et la collaboration VIRGO. Il s’agit de la première détection directe d’ondes gravitationnelles ainsi que de la première détection directe de trous noirs et de leurs fusion. Cette découverte, sans aucun doute, restera dans l’histoire comme l’ouverture d’une nouvelle fenêtre d’observation sur l’univers et la naissance d’une nouvelle discipline : l’astronomie gravitationnelle.

Les détails des observations peuvent être trouvées ici sur le site de la collaboration LIGO et une excellente présentation en est faite sur le site de Physical Review Letters. De quoi s’agit il? En 1915, Albert Einstein publie sa théorie de la relativité générale révolutionnant notre vision de la gravitation. Au lieu de présenter la gravitation comme un champ auquel est soumis n’importe quel objet près d’un corps massif, il décrit la gravitation comme une déformation de l’espace temps. Les corps sont alors soumis à ces déformations, plus précisément à ce que les mathématiciens appelle la courbure de l’espace temps.

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Peu après avoir publié sa théorie, Albert Einstein s’aperçoit que l’espace temps peut être le siège de vibrations issues d’évènements gravitationnels. Si, pour prendre une image proposée par Thibaut Damour, Professeur à l’IHES, l’univers est une viande en gelée, les ondes gravitationnelles peuvent être vue comme les vibrations se propageant dans cette gelée, quand un évènement provoque une vibration initiale au sein de cette gelée. Cependant, Einstein s’aperçoit assez vite que les vibrations prédite par sa théorie sont ridicules. Il en viendra même à douter de l’existence même des ondes gravitationnelles.

C’est dans les années 1960 et 1970 que le principe de la détection des ondes gravitationnelles par interférométrie sera proposé. Le principe est relativement simple. Il repose sur l’interféromètre de Michelson, bien connu des étudiants en physique et dont une utilisation très célèbre a été faite entre 1881 et 1887 (Expérience de Michelson-Morley) pour mesurer la vitesse de la Terre par rapport à l’Ether, le milieu sur lequel on supposait alors que les ondes électromagnétiques se propageaient. L’Ether ne fut pas détecté ce qui mettra plus tard Einstein sur la piste de la théorie de la relativité.

L’interféromètre de Michelson est constitué de deux bras dans lesquels deux faisceaux de lumière issus d’un même faisceau originel se propagent avant d’être recombinés. Si la distance entre les deux bras est identique, on observe un certain signal. Celui-ci sera modifié si pour une raison quelconque la distance entre les deux bras est changée.  Lors du passage d’une onde gravitationnelle, les longueurs des deux bras sont changées mais de manière différente. C’est ce changement de longueur, provoquée par un étirement de l’espace temps qui a été détecté par la collaboration LIGO. Notons que l’espace temps peut, d’un certain point de vue, être vu comme l’Ether de la gravitation et que donc, ironie de l’histoire, c’est par le dispositif qui était censé montré l’existence de l’Ether électromagnétique que les vibrations de l’Ether gravitationnel ont été détectées.

L’étirement de l’espace-temps détecté au niveau de la Terre est extrêmement faible. Il a atteint la valeur de 1021. Les bras de l’interféromètre faisant 4 km, c’est une déformation de 10-18 m qui a été mesurée, autrement dit une différence d’un millième de noyau atomique sur 4km. Cela correspond à une différence d’un cheveu sur une distance nous séparant de l’étoile la plus proche située à 4 années-lumière.

L’événement qui a provoqué cet étirement a été détecté le 14 septembre 2015 à 9:50:45 UTC dans deux interféromètres de le collaboration LIGO situés aux Etats-Unis. L’un dans l’état du Washington et l’autre en Louisiane. Malheureusement, un troisième détecteur, situé en Italie, celui de la collaboration VIRGO n’était pas en activité car il est à l’heure actuelle en phase d’amélioration de sa sensibilité. Les deux interféromètres ont détecté des signaux très similaires mais séparés de 7 millisecondes. Ce temps correspond au temps de propagation à la vitesse de la lumière (qui est aussi la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles) entre les deux instruments.

fig1-observed-LOn note un superposition très bonne entre les deux signaux observés sur les deux interféromètres.

Ce signal correspond à celui calculé pour la collision de deux trous noirs de 36 masses solaires et de 29 masses solaires.

fig1-waveform-HComme on peut le noter, la ressemblance entre le signal mesuré et le signal théorique est très bonne.

Il a été mesuré que lors de la fusion des deux trous noirs, une quantité d’énergie équivalente à la masse de 3 soleils a été émise sous forme d’ondes gravitationnelles. Il s’agit d’une énergie considérable : c’est 1000 fois plus que ce que sera émis par le soleil au cours de sa vie. Au moment ultime de la fusion entre deux trous noirs, une puissance supérieure à la puissance émise par l’ensemble des étoiles de l’Univers a été émise sous forme d’ondes gravitationnelles. C’est donc un évènement d’une puissance inouïe qui a été détecté. Et pourtant, son influence sur l’espace temps ici est, on l’a vu, extrêmement faible.

Cependant, cette détection des ondes gravitationnelles offre des perspectives vertigineuses. Elles viennent de permettre la première observation directe des trous noirs car ceux-ci, par définition, n’émettent pas d’ondes électromagnétiques. Surtout, les ondes gravitationnelles, si elles sont faibles, ne peuvent en revanche pas être masquées comme peuvent l’être les ondes électromagnétiques. Par exemple, il est impossible d’observer, à l’aide d’ondes électromagnétiques plus loin que 300.000 ans après le Big Bang, instant à partir duquel la matière est devenu suffisamment froide pour être transparente au rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement constitue le fameux rayonnement cosmologique à 3 K. Les ondes gravitationnelles, si la sensibilité des détecteurs était améliorée, permettraient en principe de remonter aux premiers instants suivant le Big Bang et donc à l’origine de l’Univers. Pourquoi ne pas imaginer tant qu’on y est communiquer avec ces ondes de gravité à la manière du Héros d’Interstellar avec sa fille? Voilà, en tous les cas un nouveau champ d’observation qui s’ouvre et un nouveau champ d’inspiration pour les auteurs de science-fiction.

 

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