Ondes gravitationnelles : une nouvelle ère pour l’astronomie

En 2015, des scien­ti­fiques ont pu obser­ver direc­te­ment et pour la toute pre­mière fois des ondes gra­vi­ta­tion­nelles, grâce à l’observatoire LIGO situé aux États-Unis. Cet évè­ne­ment est sans aucun doute l’une des plus grandes décou­vertes scien­ti­fiques de la décen­nie – voire du siècle. Six ans après, que peut-on dire des ondes gra­vi­ta­tion­nelles, et pour­quoi les étu­dier est-il si important ?

Les ondes gra­vi­ta­tion­nelles (OG), pré­dites par Albert Ein­stein en 1916, consti­tuent une toute nou­velle façon d’ob­ser­ver l’u­ni­vers. Avant leur détec­tion, les astro­nomes ne pou­vaient obser­ver le ciel qu’à l’aide de la lumière visible ou d’autres types de rayon­ne­ments élec­tro­ma­gné­tiques (comme les rayons infra­rouges, ultra­vio­lets et gamma). 

Alors que la lumière est la pro­pa­ga­tion de champs élec­tro­ma­gné­tiques vibrant dans l’es­pace et le temps, les OG sont com­plè­te­ment dif­fé­rentes : elles sont des ondu­la­tions dans le tis­su même de l’es­pace-temps. Elles peuvent donc être émises par un objet non lumineux.

Créer des ondu­la­tions dans le tis­su (plu­tôt rigide) de l’es­pace-temps est loin d’être chose facile. En effet, les OG ne peuvent être pro­duites qu’en accé­lé­rant de très petits et très mas­sifs objets à une vitesse proche de celle de la lumière. Les meilleurs can­di­dats sont donc les trous noirs (qui sont les objets les plus com­pacts de l’u­ni­vers), et cer­taines étoiles très denses, appe­lées étoiles à neu­trons (des astres très com­pacts de 1,4 et 2,4 masses solaires pour un dia­mètre infé­rieur à 20 km quand celui du soleil mesure 1,39 mil­lion de km).

En géné­ral, un trou noir iso­lé ne génère pas d’ondes gra­vi­ta­tion­nelles. Il a besoin d’un com­pa­gnon auquel il reste lié pen­dant une longue période (un peu comme la Terre et la Lune) pour for­mer ce que l’on appelle un « sys­tème binaire ». En rai­son de leur extrême den­si­té, ils déforment l’es­pace-temps autour d’eux lors­qu’ils se déplacent, créant des ondu­la­tions qui se pro­pagent à tra­vers l’u­ni­vers à la vitesse de la lumière : ce sont les OG.

En émet­tant ces ondes, le sys­tème binaire perd une par­tie de l’éner­gie qui lie les trous noirs entre eux, qui ne cessent de se rap­pro­cher au cours du temps tout en spi­ra­lant. Cette valse infer­nale pro­duit des OG de plus en plus intenses (qui peuvent par­cou­rir des mil­liards d’an­nées-lumière à tra­vers l’u­ni­vers), jus­qu’à ce que les trous noirs finissent par fusion­ner. De temps en temps, l’un de ces sys­tèmes binaires émet des ondes qui atteignent la Terre, avec une ampli­tude juste assez grande pour y être détec­tée, même si le signal est tout de même extrê­me­ment faible.

Le pre­mier signal d’une telle coa­les­cence (qui s’est dérou­lée à 1,3 mil­liard d’années-lumière de la Terre) a été détec­té en sep­tembre 2015 par l’instrument LIGO (Laser Inter­fe­ro­me­ter Gra­vi­ta­tio­nal-Wave Obser­va­to­ry)¹². La coa­les­cence com­prend la phase de « spi­ra­le­ment » (lorsque les trous noirs se rap­prochent), la fusion (lors­qu’ils se « touchent » pour n’en créer qu’un) et la « relaxa­tion » (lorsque le nou­veau gros trou noir se stabilise). 

D’environ 36 et 29 masses solaires, les deux trous noirs en ques­tion avaient fini par fusion­ner pour for­mer un seul trou noir de 62 masses solaires. Les 3 masses solaires « per­dues » ont été com­plè­te­ment conver­ties en éner­gie gra­vi­ta­tion­nelle empor­tée par les OG. 

LIGO est un pro­jet col­la­bo­ra­tif regrou­pant plus de 1000 cher­cheurs et ingé­nieurs dans plus de 20 pays, et qui a valu à trois de ses membres de rece­voir le prix Nobel de phy­sique 2017³. Après 50 années de recherches néces­saires pour construire ce détec­teur, ils ont annon­cé en juin 2016 avoir obser­vé une deuxième coa­les­cence de trous noirs ⁴. Cette obser­va­tion a été faite le 26 décembre 2015, et cette fois, les trous noirs se trou­vaient à 1,4 mil­liard d’an­nées-lumière de la Terre. Depuis, envi­ron 50 évè­ne­ments de coa­les­cence ont été détec­tés. Toutes ces décou­vertes ont fait avan­cer beau­coup de domaines de recherche, signant l’acte de nais­sance de l’« astro­no­mie gravitationnelle ».

LIGO et ses sem­blables, Vir­go en Ita­lie et Kagra au Japon, s’ap­puient sur une tech­no­lo­gie de détec­tion avan­cée appe­lée « inter­fé­ro­mé­trie laser ». Cette tech­nique est uti­li­sée depuis long­temps pour détec­ter des signaux faibles, mais jusqu’alors, elle n’avait jamais été pous­sée à la limite néces­saire pour détec­ter les signaux infimes des OG.

L’interféromètre LIGO fonc­tionne essen­tiel­le­ment en envoyant des fais­ceaux laser jumeaux dans deux « bras » de 4 km de long dis­po­sés en forme de L et main­te­nus dans un vide qua­si-par­fait. Les fais­ceaux sont réflé­chis par des miroirs pla­cés avec pré­ci­sion aux extré­mi­tés de chaque bras. Lors­qu’une OG tra­verse l’ob­ser­va­toire, elle pro­voque des dis­tor­sions extrê­me­ment faibles sur la dis­tance par­cou­rue par chaque fais­ceau laser. L’instrument mesure ain­si l’effet de contrac­tion-dila­tion de l’espace-temps pro­duit par l’OG.

L’appareil étant extrê­me­ment sen­sible, il est sou­mis à toutes sortes de vibra­tions externes (avions qui passent, vagues qui s’échouent sur un rivage dis­tant, etc). En consé­quence, les tech­ni­ciens ont dû conce­voir de nom­breux et ingé­nieux sys­tèmes qui per­mettent une pré­ci­sion suf­fi­sante pour les détec­tions, mais aus­si pour pou­voir dif­fé­ren­cier les arte­facts ter­restres des pré­cieux signaux d’OG.

En mesu­rant le temps que des fais­ceaux laser mettent pour par­cou­rir un bras, les cher­cheurs peuvent extraire du signal des infor­ma­tions sur l’onde telles que sa fré­quence et son ampli­tude. Ces quan­ti­tés sont d’une impor­tance capi­tale, car elles encodent des infor­ma­tions clés sur la source de l’onde, comme sa dis­tance à la Terre et sa posi­tion dans le ciel, ain­si que sa masse et sa nature (trou noir ou étoile à neutrons).

Les carac­té­ris­tiques des inter­fé­ro­mètres ter­restres (comme LIGO) les rendent sen­sibles seule­ment à une cer­taine bande de fré­quence d’OG, de 10 Hz à 10 kHz envi­ron, ce qui cor­res­pond aux trous noirs de 10 à 100 masses solaires.

Pour élar­gir cette gamme de fré­quence, le pro­jet futur le plus pro­met­teur est le Laser Inter­fe­ro­me­ter Space Anten­na (LISA)⁵. Cet obser­va­toire spa­tial euro­péen, qui devrait être opé­ra­tion­nel en 2034, cible­ra des plus basses fré­quences (mil­li­hertz) pour détec­ter des ondes pro­ve­nant de la coa­les­cence de trous noirs beau­coup plus gros. Appe­lés « super­mas­sifs », ces objets se trouvent au centre de la plu­part des galaxies (y com­pris notre Voie Lac­tée) et ont une masse de quelques mil­lions à quelques mil­liards de fois celle du Soleil.

LISA pour­ra éga­le­ment obser­ver des couples « asy­mé­triques », comme une étoile à neu­trons orbi­tant un trou noir super­mas­sif, mais aus­si les ondes gra­vi­ta­tion­nelles pri­mor­diales, très impor­tante pour la cos­mo­lo­gie, car géné­rées juste après le Big Bang⁶⁷. Doté d’une pré­ci­sion net­te­ment supé­rieure à ses cou­sins ter­restres, LISA sera un ins­tru­ment de plu­sieurs mil­lions de kilo­mètres de long, com­po­sé de trois petits robots posi­tion­nés en tri­angle équi­la­té­ral en orbite solaire, juste der­rière la Terre.