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Ondes gravitationnelles : une nouvelle fenêtre s’ouvre sur l'Univers

Les équipes de l’instrument LIGO situé aux États-Unis viennent de confirmer avoir détecté des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs. Envisagées par la théorie de la Relativité générale il y a tout juste cent ans, les ondes gravitationnelles devraient permettre d’étudier des évènements astronomiques invisibles aux autres instruments.

Rochester Institute of Technology
© Rochester Institute of Technology (vue d'artiste)

La rumeur qui courait depuis septembre dernier est donc confirmée. Pour la première fois, des ondes gravitationnelles ont bien été détectées par les équipes de LIGO, l’interféromètre laser géant installé aux États-Unis. La découverte a été rendue publique jeudi 11 février par les chercheurs du Rochester Institute of Technology après de nombreuses fuites sur la toile. Deux publications lui sont consacrées dans la revue Physical Review Letters et dans The Astrophysical Journal (et non dans Nature comme on le supposait).

Cette exceptionnelle avancée confirme l’existence des ondes gravitationnelles prédites par la théorie de la Relativité générale élaborée par Albert Einstein il y a tout juste cent ans. En effet, selon la Relativité générale, des objets massifs en mouvement, comme des étoiles à neutron en orbite l’une autour de l’autre, perturbent l’espace-temps en perdant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles : des ondes qui se propagent dans l’Univers et qui – non sans difficulté – peuvent être mesurées sur Terre.

29 + 36 = 62

Dans le cas présent, c’est un événement astronomique particulièrement violent qui a pu être mis au jour. L’histoire commence il y a 1,3 milliard d’années quand deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires, après avoir tourné l’un autour de l’autre durant des milliards d’années, fusionnent brutalement en un trou noir unique de 62 masses solaires. Baptisé GW150914, ce dernier est plus léger que la somme des deux trous noirs originaux, car une partie de la masse est convertie en énergie (selon la fameuse formule E=MC2…) sous forme d’ondes gravitationnelles, c’est-à-dire des déformations de l’espace-temps.

Vue d'artiste d'ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs

Parcourant l’Univers à la vitesse de la lumière, ces ondes sont parvenues sur Terre le 14 septembre 2015 à 11 h 51 (heure française). Les deux détecteurs américains de LIGO, distants de 3 000 km, ont pu mesurer l’événement avec un décalage de 7 millisecondes. Situés en Louisiane et dans l’Etat de Washington, ils réalisaient leurs toutes premières mesures depuis leur remise à niveau (requalifiant le projet en « Advanced LIGO » ou « aLIGO »). Sans les améliorations apportées, il leur aurait été impossible de mesurer l’infime distorsion de l’espace-temps évaluée ici à une déformation inférieure au diamètre d’un proton !

Les instruments de LIGO, distants de 3 000 km, ont observé le même signal avec un décalage de 7 millisecondes.

Il aura fallu cinq mois pour analyser les deux signaux et vérifier leur origine. Les deux trous noirs se situent selon les estimations dans l’axe du grand nuage de Magellan, visible dans l’hémisphère sud. Étant donné sa distance, GW150914 se situe néanmoins bien au-delà de cette petite galaxie irrégulière. Deux jours après après avoir mesuré le signal, les chercheurs de LIGO ont sollicité une vingtaine d’observatoires à travers le monde pour tenter d’observer l’événement avec des instruments plus classiques. En vain.

Une nouvelle astronomie vient de naître

La détection d’ondes gravitationnelles marquera sans nul doute l’histoire des sciences. Elle conforte d’abord – et une fois de plus – la théorie de la Relativité générale élaborée par Albert Einstein en 1915.

Mais elle ouvre également la voie à un nouvel outil pour étudier le cosmos. La plupart des instruments d'astronomie récoltent un rayonnement électromagnétique, en d’autres termes de la lumière à différentes longueurs d’onde (UV, infrarouge, visible, rayon X, radio). Il est également possible d’étudier des flux de particules tels que les neutrinos. Mais la possibilité d’étudier les ondes gravitationnelles devrait nous éclairer sur des événements inaccessibles, et notamment ceux liés aux événements survenus peu après le Big Bang.

Survol de LIGO

Plusieurs instruments à travers le monde sont en cours de construction ou d’amélioration. VIRGO, installé en Italie, fait actuellement peau neuve et devrait gagner en précision. Il sera à terme couplé avec LIGO afin de permettre une meilleure localisation des sources d’ondes gravitationnelles. En Inde, LIGO India est également en cours de construction. Et au Japon, Kagra est en cours d’achèvement.

Mais l’avenir se jouera sans doute dans l’espace qui permettra de construire des interféromètres autrement plus vastes, à même de détecter des événements occasionnés par des objets plus massifs. Un tel projet, eLISA, est actuellement à l’étude par l’Agence spatiale européenne et devrait voir le jour en 2030. Il consistera à créer un interféromètre d’un million de kilomètres de long en tendant des lasers entre plusieurs satellites…

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Avec le physicien Pierre Binétruy

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