Une nouvelle onde gravitationnelle a récemment été détectée pour la première fois en Europe par les interféromètres LIGO et VIRGO, résultant de la fusion de 2 trous noirs.
Mais, au fait, qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ? Pour tenter de l’expliquer, revenons un siècle en arrière.
Albert Einstein et sa théorie de la relativité
Albert Einstein prévit leur existence en 1916 en se fondant sur sa théorie de la relativité générale. Il démontra que les notions d’espace et de temps se regroupent en un objet physique appelé espace-temps. Selon cette théorie, les masses courbent et déforment cet espace-temps créant ainsi la gravité. Plus elles sont grandes, plus l’espace-temps se déforme. Et selon la formule E = mc2 que tout le monde connaît, plus un objet est accéléré plus il a d’énergie, plus l’espace-temps se déforme également.
Courbure de l’espace-temps – credits : ESA–C. Carreau
Dans le cas de masses très importantes en mouvement accéléré, de fortes perturbations de l’espace-temps se propagent dans toutes les directions à la vitesse de la lumière en transportant de l’énergie. Ce sont les ondes gravitationnelles. Elles déforment l’espace-temps et tout ce qu’il contient (les planètes, les étoiles, la Terre, etc.) donc tout ce qu’il y a sur leur passage. On peut les comparer à des vagues déformant la surface de l’eau lorsqu’on y lance un caillou. Plus on s’éloigne du caillou, plus les vagues sont petites. Le problème est qu’elles sont extrêmement faibles à la différence des ondes électromagnétiques. Elles déformeraient la Terre à hauteur d’à peine un millième d’atome. Il faut donc des phénomènes très importants comme la collision de deux trous noirs, objets les plus denses et massifs de l’univers, ou encore une supernova, pour pouvoir les mesurer.
Premières détections des ondes gravitationnelles
C’est pourquoi les détecteurs géants LIGO aux États-Unis (Observatoire d’ondes gravitationnelles par Interférométrie Laser) et VIRGO en Europe ont été construits.
Virgo vu du ciel
Le 14 septembre 2015, des scientifiques de LIGO en ont enfin observé.
Le professeur Kip Thorne, cofondateur de Ligo, explique : « La collision de trous noirs qui a produit ces ondes gravitationnelles a créé une violente tempête dans le tissu de l’espace et du temps, une tempête dans laquelle le temps s’est accéléré et a ralenti, avant d’accélérer à nouveau, une tempête dans laquelle la forme de l’espace s’est déformée dans un sens puis dans l’autre ».
Dans ce cas mesuré, 2 trous noirs de masses respectives de 29 et 36 fois la masse du Soleil se sont rapprochés et ont fusionné il y a 1,3 milliard d’années en un gigantesque trou noir de 62 masses solaires. Si on additionne 29 et 36 on obtient 65 et non 62 ! Où sont donc passées les 3 masses solaires restantes ? Rappelez-vous la célèbre formule E = mc2. Eh bien, elles ont été expulsées sous forme d’énergie à savoir sous forme d’ondes gravitationnelles !
LIGO – VIRGO : Comment fonctionnent-ils ?
Schéma du détecteur Virgo
La vitesse de la lumière étant constante, si l’espace entre 2 points s’étire, la
lumière mettra plus de temps à le parcourir et inversement s’il se comprime elle mettra moins de temps.
Les scientifiques utilisent donc un laser pour mesurer les variations des 2 bras de plusieurs kilomètres situés à angle droit. Le rayon laser est envoyé sur un miroir qui le sépare en deux faisceaux. Un des bras se contracte pendant que l’autre s’allonge et inversement. En mesurant les interférences entre les faisceaux laser qui circulent dans les 2 bras du détecteur, les physiciens peuvent savoir si l’espace a été comprimé ou étiré, et ce, avec une extrême précision. En effet, les bras de plusieurs kilomètres de long sont étirés de seulement un milliardième de milliardième de mètre, moins d’un millième du diamètre d’un proton.
Le passage d’une onde gravitationnelle allonge et raccourcit alternativement la distance entre deux objets, de façon différente le long de deux directions perpendiculaires. Ce déphasage produit une oscillation de la lumière sur le détecteur prouvant le passage des ondes gravitationnelles. Les détecteurs voient donc les longueurs de leurs deux bras osciller, à la même fréquence que l’onde gravitationnelle qui passe à travers le détecteur.
À quoi les ondes gravitationnelles peuvent-elles servir ?
Cette découverte des ondes gravitationnelles confirme la prédiction faite il y a 100 ans par Einstein, ce qui donne plus de confiance en sa théorie de la gravitation.
Leur étude pourrait également apporter quelques réponses sur ce qui s’est produit juste après le Big Bang. Le fond diffus cosmologique est une image instantanée de l’Univers 380 000 ans après le Big Bang. Les scientifiques l’étudient pour remonter beaucoup plus loin encore dans le temps, de 380 000 ans jusqu’à l’époque d’origine de ses fluctuations. Ce serait une phase d’expansion exponentielle pendant une infime fraction de seconde appelée inflation, qui serait accompagnée d’ondes gravitationnelles primordiales. Mais ces ondes remonteraient à 13.8 milliards d’années-lumière et seraient beaucoup trop faibles pour être détectées. Les scientifiques doivent donc plutôt chercher à identifier les effets des ondes gravitationnelles du Big Bang dans l’univers plutôt que de les mesurer directement.
La détection des ondes gravitationnelles pourrait également permettre de découvrir de nouveaux objets célestes, mieux comprendre le fonctionnement des étoiles ainsi que celui des trous noirs… C’est une nouvelle façon d’explorer l’univers. Les physiciens eux-mêmes ne savent pas encore ce qu’ils vont pouvoir découvrir. Attendons-nous à avoir des surprises !
Pour aller plus loin
Pour en savoir plus sur la théorie de la relativité d’Einstein, voici son livre publié pour la première fois en 1905 (relativité générale) puis en 1916 (relativité restreinte), qui devait révolutionner la physique contemporaine :
A la poursuite des ondes gravitationnelles – 2e éd. – Dernières nouvelles de l’Univers
par Pierre Binétruy
La détection des ondes gravitationnelles annoncée le 11 février 2016, par le détecteur américain Ligo, a fait l’effet d’une bombe dans les médias. Ce livre, rédigé par un acteur important de cette physique de pointe, nous décrit cet étrange univers gravitationnel qui s’ouvre à nous.
Voir aussi : Le principe d’équivalence au Microscope
Sources
