فدوى
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 | |  DÉCOUVERTE DES ONDES GRAVITATIONNELLES : UNE RÉVOLUTION POUR L’ASTRONOMIE | |
Un document historique : les ondes gravitationnelles, émises par la fusion de deux trous noirs, enregistrées ensemble par les deux interféromètres de l’observatoire américain Ligo, situés à 3000 kilomètres l’un de l’autre. Document Ligo/NSF.
Et c’est pourtant cet improbable cataclysme que les physiciens de l’observatoire américain Ligo annoncent aujourd’hui avoir observé, dans une galaxie lointaine et inconnue située à 1,3 milliard d’années-lumière… Observé ? Oui, et ce faisant, ils ont ouvert toute grande une nouvelle fenêtre sur l’Univers et marqué définitivement l’histoire des sciences.
Car la fusion, durant quelques centièmes de seconde et à la vitesse de la lumière, de ces deux trous noirs n’a pas été observée avec un télescope ou un radiotélescope, qui perçoivent la lumière visible et ses dérivés, rayons gamma et X, ultraviolet, infrarouge et rayonnement radio, c’est à dire le rayonnement électromagnétique, première fenêtre ouverte sur le cosmos depuis… la nuit des temps, ni dans le domaine des neutrinos, seconde fenêtre entre ouverte en 1968, mais dans le domaine… gravitationnel, un rayonnement jamais observé jusqu’ici.
C’est Ligo, l’observatoire américain d’ondes gravitationnelles, et ses deux immenses interféromètres de Hanford et Livingstone, situés à 3000 kilomètres l’un de l’autre, de part et d’autre des Etats-Unis, qui ont capté l’infime message gravitationnel du nouveau trou noir…
Une observation magistrale, incontestable : les deux signaux sont pratiquement identiques et ont été enregistrés à 7 millisecondes d’écart, signalant par là la direction de l’onde gravitationnelle, provenant de quelque part, dans le ciel du sud…
C’était le 14 septembre 2015, et aussitôt tous les télescopes du monde se sont tournés vers cette région immense du ciel – grande comme 2500 Pleine Lune environ… Ces télescopes traditionnels n’ont rien vu : la fusion des deux trous noirs n’a laissé aucune trace, malgré l’énergie immense produite durant moins d’une demie seconde…
Avec seulement deux instruments d’observation, il est impossible aux astronomes de repérer exactement l’endroit du ciel où a eu lieu, à 1.3 milliard d’années-lumière d’ici, la fusion des deux trous noirs. Voici la zone du ciel austral qu’on arpenté, en vain, les télescopes gamma, X, optiques et radio à la recherche d’une trace de l’évènement… Avec l’ajout de l’instrument Virgo, la précision du repérage sera cent fois plus grande. La résolution de cet interféromètre gravitationnel à trois télescopes avoisinera dix degrés. Photo NSF.
Le phénomène a été baptisé GW150914, et il est est entré dans l’histoire de l’astronomie. Car en une demi-seconde, plus un siècle de travail théorique et technique, les scientifiques ont observé pour la première fois la fusion de trous noirs et ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers… Un Prix Nobel de Physique quasiment assuré dès cette année pour cet exploit technique et scientifique, et un véritable triomphe de la pensée humaine…
Les télescopes gravitationnels observeront les explosions d’étoiles, les fusions d’étoiles à neutrons ou les fusions de trous noirs.
Ligo est constitué de deux interféromètres, situés de part et d’autre des Etats-Unis, à 3000 kilomètres l’un de l’autre, l’un au nord ouest, à Hanford, état de Washington (sur cette image), l’autre au sud est, à Livingstone, en Louisiane, non loin de la ville de Baton Rouge. Les deux instruments, identiques, ont été conçus en 1992, et mis en service en 2005. Photo Ligo/NSF.
En observant le pulsar double PSR B1913+16, ces astronomes montrèrent en effet que les deux étoiles à neutrons du couple chutent progressivement l’une vers l’autre, la déformation de l’espace-temps induite par ces deux masses extraordinairement denses et proches entraînant un fort rayonnement gravitationnel. Mais cette mesure – l’accélération de l’orbite du pulsar de 40 secondes en trente ans, qui correspond exactement à la prédiction de la relativité générale – était indirecte. D’où le désir des physiciens de détecter directement ces fameuses ondes, en faisant mentir Albert Einstein… En vain, un siècle durant.
L’interféromètre de Livingstone, en Louisiane, à 3000 kilomètres de l’interféromètre de Hanford. Photo Ligo/NSF.
Décrit comme cela, ça à l’air tout simple, mais en réalité, cette expérience de physique était un pari fou… Car des quatre « forces de la nature » l’électromagnétisme, les champs nucléaires fort et faible et la gravitation, cette dernière est de très loin la plus faible : la gravitation est cent milliards de milliards de milliards de milliards (10 puissance 38) de fois plus faible que la force nucléaire qui lie les noyaux atomiques… La gravitation ne se fait sentir qu’en présence de masses considérables, comme les planètes, les étoiles, les trous noirs…
L’interféromètre franco-italien Virgo, va bientôt se joindre à Ligo pour décupler la précision des observations gravitationnelles. Photo Virgo.
En revanche, les astres tout à la fois denses, compacts et en interaction peuvent émettre une quantité considérable d’énergie sous forme gravitationnelle : le pulsar double PSR B1913+16, avec ses deux étoiles à neutrons qui se tournent l’une autour de l’autre à la vitesse de 450 kilomètres par seconde, émet environ 10 puissance 24 watts, cela représente 2 % de la puissance rayonnée du Soleil… Quant à la fusion de deux trous noirs, comme celle qu’a observée Ligo, elle dépasse 10 puissance 50 watts, c’est à dire environ cinquante fois l’énergie produite sous forme de lumière par… l’Univers entier.
Mais les ondes gravitationnelles, comme les rides de l’eau d’un lac provoquée par la chute d’une feuille, s’amortissent progressivement… Et le lac cosmique est infini ou presque : de fait, les ondes gravitationnelles attendues par Ligo ou Virgo sont incroyablement ténues : l’espace, dans l’intervalle des miroirs des interféromètres, doit s’allonger – et se contracter dans l’autre bras perpendiculaire – de 10 puissance moins 19 mètre, soit du dix millième du diamètre d’un proton. On comprend, dès lors, que les interféromètres détectent avant tout du bruit de fond… Rumeurs de la Terre, mouvement des vagues lointaines, des masses atmosphériques, des voitures passant au loin, d’une petite souris grattant la terre sous l’interféromètre… Discriminer le signal, d’une ténuité surréaliste, des ondes gravitationnelles, du bruit ambiant, tel était le défi fou des ingénieurs et physiciens, de part et d’autre de l’Atlantique…
Pari gagné par l’équipe de Ligo, donc et son instrument rénové en 2015, appelé désormais Advanced Ligo. Advanced Ligo a commencé à observer en septembre 2015, avec en particulier un « run » d’observation de soixante heures d’affilée des deux antennes ensemble, une première. De son côté, Advanced Virgo va entrer en service dans quelques mois.
C’est à cette occasion que, à leur immense stupéfaction, les ingénieurs et physiciens de l’équipe Ligo ont repéré, dans les données de leurs interféromètres ultra-précis, deux signaux identiques, à 3000 kilomètres de distance, et ayant exactement le profil d’une onde gravitationnelle… Encore une fois, la détection est indiscutable, et ce sont en tout… mille auteurs qui ont publié aujourd’hui l’article fondateur de l’astronomie gravitationnel dans les Physical Reviews Letters. Un article partagé gratuitement avec le public, donc, et d’une simplicité confondante, comme, souvent, les grandes découvertes scientifiques… Il est à noter que l’équipe américaine de Ligo a partagé la découverte avec l’équipe franco-italienne de Virgo, qui a participé à la naissance de cette nouvelle astronomie, en particulier grâce aux travaux fondateurs, en France, de Alain Brillet, Nathalie Deruelle et Thibault Damour, à l’Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES).
La salle de contrôle de l’observatoire Ligo. Photo Ligo/NSF.
Cette nouvelle fenêtre sur l’Univers, entr’ouverte aujourd’hui, devrait à l’avenir s’ouvrir toute grande : un clone de Ligo, Ligo India, doit être installé bientôt en Inde, les Japonais terminent la construction de leur propre télescope gravitationnel, Kagra, dans la mine de Kamioka, à côté du détecteur de neutrinos SuperKamiokande, et l’Europe, après ce spectaculaire succès, devrait bientôt donner le feux vert au télescope Einstein, un « super Virgo » actuellement à l’étude.
L’astronomie gravitationnelle promet d’observer les événements les plus violents de l’Univers, jusqu’ici demeurés invisibles : cœur d’étoiles supergéantes s’effondrant en trous noirs, fusions d’étoiles et fusions de trous noirs, chutes d’étoiles dans des trous noirs, ou encore fusions de trous noirs galactiques… Un rêve de physicien : comprendre mieux les trous noirs et leurs propriétés étranges, découvrir, peut-être, un écart de leur comportement à la loi d’airain d’Einstein, écrire, enfin, les premières pages d’une nouvelle physique… A plus long terme, c’est même le premier souffle de l’Univers, le « Aum » originel, émis au moment même du big bang, dont les télescopes gravitationnels pourraient entendre l’écho, partout dans le ciel.
Serge Brunier > Lire également : > Lire aussi dans les Grandes Archives de S&V : | |
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