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Ondes gravitationnelles : une nouvelle ère pour l’astronomie

Paul Ramond modifiée
Paul Ramond
doctorant à l’Observatoire de Paris et à l’ENSTA Paris (IP Paris)

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.

Étudier les trous noirs

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.

La détection de LIGO

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 ».

De minuscules changements de longueur

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 détecteurs du futur

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.

Propos recueillis par Isabelle Dumé
1https://​jour​nals​.aps​.org/​p​r​l​/​a​b​s​t​r​a​c​t​/​1​0​.​1​1​0​3​/​P​h​y​s​R​e​v​L​e​t​t​.​1​1​6​.​0​61102
2https://​www​.ligo​.cal​tech​.edu
3https://​jour​nals​.aps​.org/​p​r​l​/​a​b​s​t​r​a​c​t​/​1​0​.​1​1​0​3​/​P​h​y​s​R​e​v​L​e​t​t​.​1​1​6​.​2​41103
4https://​www​.nobel​prize​.org/​p​r​i​z​e​s​/​p​h​y​s​i​c​s​/​2​0​1​7​/​p​r​e​s​s​-​r​e​l​ease/
5https://​sci​.esa​.int/​w​e​b​/​lisa/
6https://​jour​nals​.aps​.org/​p​r​l​/​a​b​s​t​r​a​c​t​/​1​0​.​1​1​0​3​/​P​h​y​s​R​e​v​L​e​t​t​.​1​1​9​.​1​61101
7https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10714-020–02691‑1

Auteurs

Paul Ramond modifiée

Paul Ramond

doctorant à l’Observatoire de Paris et à l’ENSTA Paris (IP Paris)

Les thèmes de recherche de Paul Ramond concernent divers aspects théoriques des systèmes gravitationnels. Il travaille au Laboratoire Univers et Théories dans le groupe Relativité et Objets Compacts, sur la mécanique relativiste des trous noirs et étoiles à neutrons, qui sont les principales sources astrophysiques d'ondes gravitationnelles. À l’ENSTA Paris, il est associé au Laboratoire de Mathématiques Appliquées, où il travaille sur les systèmes dynamiques gravitationnels classiques.