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 | | Ondes gravitationnelles : une détection directe historique | |
[size=33]Ondes gravitationnelles : une détection directe historique[/size]L'expérience LIGO vient de confirmer une prédiction centenaire d’Einstein en détectant les vibrations de l’espace-temps émises par la coalescence de deux trous noirs, à plus d'un milliard d'années-lumière de nous.Sean Bailly
Un système binaire de trous noirs est une source majeure d'ondes gravitationnelles.
MPI for Gravitational Physics / Institute for Theoretical Physics, Frankfurt / Zuse Institute Berli L'auteurSean Bailly est journaliste àPour la Science.
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Pour en savoir plusB. P. Abbott et al., Observation of gravitational waves from a binary black hole merger,Physical Review Letters, en ligne le 11 février 2016.
D. Buskulic et L. Villain, A l'écoute des ondes gravitationnelles, Pour la Science, n° 457, novembre 2015.
P. Grandclément, Trous noirs et ondes gravitationnelles, Dossier Pour la Science, n° 75, avril-juin 2012.
B. Schutz et S. Vitale, Ondes gravitationnelles, la bande son de l'Univers, Pour la Science, n° 409, novembre 2011.
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Il y a bien longtemps, dans une galaxie lointaine, très lointaine, deux trous noirs ont entamé une danse cosmique, une rotation de l'un autour de l'autre d'abord lente et à distance, puis de plus en plus rapide et rapprochée, jusqu'à la fusion en un trou noir plus massif. Ce ballet, surtout sa fin, a fait vibrer le tissu de l'espace-temps sous la forme d'ondes, des ondes gravitationnelles, qui se sont propagées à la vitesse de la lumière à travers l'espace.
Lors d'une conférence de presse, ce jeudi 11 février, les collaborations LIGO et Virgo, ont annoncé avoir détecté ces ondes gravitationnelles, le 14 septembre 2015 à 11h51 (heure de Paris). C'est la première détection directe de ce type d'ondes, prédites il y a tout juste cent ans et que les physiciens tentent de mettre en évidence depuis près de quarante ans .
Les rumeurs qui ont précédé l'annonce étaient à la hauteur de l'événement. Certains physiciens, poussés par l'enthousiasme, avaient partagé la nouvelle sur les réseaux sociaux avant même que les collaborations LIGO et Virgo n'organise son annonce en conférence de presse. On peut comprendre l'euphorie parmi les chercheurs : les ondes gravitationnelles sont une conséquence de la théorie de la relativité générale et ont été prévues dès 1916 par Albert Einstein, lui-même.
Il a fallu attendre 1974 pour avoir une confirmation indirecte de leur existence. En effet, les Américains Joseph Taylor et Russell Hulse ont montré que le pulsar binaire PSR B1913+16, dont la période de révolution diminue lentement au fil des ans, perd de l'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles en accord avec les prédictions de la relativité générale. Les deux chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour ces travaux.
Il restait à détecter directement de telles ondes. Les expériences Virgo, près de Pise en Italie, et LIGO, composée de deux installations sur deux sites distants aux États-Unis, ont été conçues pour détecter les vibrations de l'espace-temps dues au passage d'une onde gravitationnelle. Ces détecteurs sont des interféromètres géants : un faisceau laser est décomposé en deux sous-faisceaux, lesquels font des allers et retours dans deux tunnels perpendiculaires, longs de trois kilomètres pour Virgo et de quatre kilomètres pour LIGO. La configuration des installations est telle que les faisceaux se rejoignent à l'intersection des deux tunnels, où les deux ondes laser interfèrent de façon destructive (les maximums de l'onde d'un faisceau se superposent aux minimums de l'autre onde, et la somme donne un signal nul). Le capteur placé en aval de ce point reçoit alors un signal nul.
Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse le dispositif, elle contracte et étire alternativement l'espace dans des directions perpendiculaires. Pour l'interféromètre, c'est le parcours des faisceaux qui est étiré ou contracté. Les maximums et mimimums des ondes laser étant alors déphasés, l'interférence entre les deux faisceaux n'annule plus exactement le signal enregistré par le capteur.
Le principe physique du dispositif est simple, mais la mise en œuvre est un réel défi pour les chercheurs et les ingénieurs. En effet, pour une onde gravitationnelle suffisamment intense pour qu'on puisse espérer la détecter, la variation de longueur des bras de l'interféromètre est de l'ordre du milliardième de la taille d'un atome ! Les interféromètres géants sont sensibles à un changement aussi faible, mais les physiciens doivent écarter de nombreuses sources de bruit qui perturbent la mesure (l'agitation thermique des atomes à la surface des miroirs placés aux extrémités des bras de l'interféromètre, les mouvements sismiques de la Terre…).
Après une première phase d'acquisition de données entre 2002 et 2010, qui n'a rien donné, l'équipe de LIGO a entrepris d'importantes modifications techniques pour augmenter la sensibilité du détecteur ; le dispositif a été redémarré en septembre 2015. Parallèlement, Virgo a aussi connu une première phase opérationnelle entre 2007 et 2011, puis a subi d'importantes améliorations et devrait bientôt reprendre des données. Quelques mois seulement auront été nécessaires à la collaboration LIGO pour détecter des ondes gravitationnelles avec son dispositif amélioré : la détection annoncée figure parmi les données recueillies entre septembre 2015 et janvier 2016, données dont l'analyse a été réalisée conjointement par LIGO et par Virgo.
Une nouvelle fenêtre s'ouvre sur l'UniversCette annonce est bien plus qu'une confirmation de la théorie de relativité générale et de l'existence des ondes gravitationnelles. Tout d'abord, elle confirme l'existence de la coalescence de trous noirs assez massifs, un phénomène qui n'avait jamais été observé. Ensuite, l'accord entre le signal enregistré et la théorie de la relativité générale constitue le premier test (réussi) de celle-ci dans des conditions aussi extrêmes (gravitation très intense).
Enfin, c'est une nouvelle fenêtre qui s'ouvre sur l'Univers, une nouvelle façon d'observer le cosmos. Jusqu'à présent, pour étudier l'espace, les astronomes ne pouvaient utiliser que la lumière, dont ils exploitaient déjà toutes les longueurs d'onde du spectre (des rayons gamma aux ondes radio). Par ailleurs, l'astronomie des neutrinos commence à peine à donner des résultats. Les ondes gravitationnelles promettent d'explorer des phénomènes auxquel la lumière n'a pas accès.
Par exemple, une étoile massive en fin de vie qui s'effondre sur elle-même produit des ondes gravitationnelles, alors que le cœur de l'étoile est opaque pour la lumière. Les ondes gravitationnelles pourraient dans ce cas fournir des informations précieuses aux astrophysiciens.
L'Univers primordial a aussi produit des ondes gravitationnelles (dont les membres de l'expérience BICEP2 pensaient avoir vu un effet indirect sur le fond diffus cosmologique) qui fourniraient des indications sur les conditions régnant dans les premiers instants de l'Univers. Ces ondes ne sont cependant pas accessibles à Virgo et LIGO, car leurs fréquences sont bien inférieures à la sensibilité de ces interféromètres.
Des sources importantes d'ondes gravitationnelles ciblées par Virgo et LIGO sont les systèmes binaires en coalescence, deux étoiles à neutrons ou trous noirs en orbite l'un autour de l'autre. Un tel système émet de grandes quantités d'ondes gravitationnelles qui se traduisent par une perte d'énergie lorsque les deux astres se rapprochent jusqu'à fusionner – la coalescence.
Dans l'événement observé par LIGO, il s'agit d'un système binaire de deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires, distant de 1,3 milliard d'années-lumière. Les deux détecteurs ont enregistré le même signal avec seulement 7 millisecondes d'écart, le temps que l'onde se propage d'un détecteur à l'autre. Cette coïncidence ainsi que la forme du signal sont des indices convaincants que LIGO a enregistré une onde gravitationnelle.
Les ondes gravitationnelles émises par les trous noirs constituent un signal très particulier : la fréquence et l'amplitude du signal augmentent à mesure que les astres s'approchent de plus en plus vite en spirale l'un vers l'autre. Les deux astres finissent par fusionner en formant un trou noir dont l'« horizon des événements », sa frontière en quelque sorte, est très déformé. Il se stabilise en une fraction de seconde et devient un trou noir en rotation sur lui-même, de forme plus régulière. C'est cette coalescence qui a produit des ondes gravitationnelles suffisamment intenses pour être détectées. L'analyse du signal enregistré indique que la masse du trou noir résultant est 62 fois celle du Soleil. Ainsi, pas moins de 3 masses solaires ont été converties (E = mc2, rappelons-le) en ondes gravitationnelles en moins d'une seconde ! Et juste avant la fusion des deux astres, ces derniers tournaient l'un autour de l'autre à une cadence de 75 tours par seconde, à une vitesse voisine de la moitié de celle de la lumière...
Ce résultat est une belle réussite d'un point de vue technique et de l'efficacité de la mise en commun des forces des collaboration LIGO et Virgo qui partagent en particulier les outils d'analyse des données. La future mise en service du détecteur amélioré de Virgo s'annonce aussi prometteuse. En effet, en combinant les mesures des deux installations de LIGO et de celle de Virgo, les chercheurs pourront, par triangulation, déterminer la position de la source des ondes gravitationnelles dans le ciel. L'ère de l'astronomie des ondes gravitationnelles est née ! | |
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