Avec cette découverte, nous humains, nous lançons dans une nouvelle quête merveilleuse : celle d’explorer le côté déformé de l’univers, celle des objets et des phénomènes qui sont “fabriqués” à partir des déformations de l’espace-temps. Une collision de trous noirs et leurs ondes gravitationnelles sont nos premiers beaux exemples.

Ce sont les mots prononcés hier par Kip Thorne, physicien théorique et co-fondateur du projet LIGO, lors d’une conférence de presse annonçant la découverte des tant convoités ondes gravitationnelles. Depuis presque 6 mois déjà, les rumeurs allaient bon train et elles ont atteins leur paroxysme ces derniers jours, mais votre Guru à résister à la tentation de l’annoncer avant l’annonce et la publication officielle des chercheurs, on a déjà eu de mauvaises surprises…

Commençons par une “petite” présentation du phénomène et des appareils qui pourraient et ont pu le détecter.

Albert Einstein avait prédit les ondes gravitationnelles dans sa théorie de la relativité générale, il y a un siècle. Ce sont des ondulations dans l’espace-temps, la structure même de l’Univers. La théorie indique que la masse déforme l’espace et le temps, un peu comme de placer une boule de bowling sur un trampoline. D’autres objets rajoutés sur la surface souple vont “tomber” vers le centre, une métaphore de la gravité dans laquelle le trampoline est l’espace-temps. Lorsque les objets accélèrent, ils envoient des ondulations le long de la “toile” de l’espace-temps à la vitesse de la lumière; plus massif est l’objet, plus large sera l’onde et plus il sera facile pour les scientifiques de la détecter.

Une explication sur la formation des ondes gravitationnelles par Paul McNamara de l’Agence spatiale européenne :

Les ondes gravitationnelles n’interagissent pas avec la matière et voyagent librement à travers l’univers. Les plus fortes sont causées par les évènements les plus cataclysmiques dans l’univers : deux trous noirs qui fusionnent, l’explosion d’étoiles massives, ou la naissance de l’Univers il y a quelques 13 800 000 000 d’années, dans ce dernier cas, les ondes gravitationnelles sont désignées primordiales.

D’autres exemples d’objets engendrant des ondes gravitationnelles

En image d’entête, représentation de deux étoiles naines blanches prises dans leur orbite mutuelle et générant une spirale d’ondes gravitationnelles. (NASA)

Ci-dessous : les ondes gravitationnelles de la Terre, issue des données recueillies par l’interféromètre américain LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

L’image et le Gif Ci-dessous : représentation d’une étoile à neutrons, extrêmement dense, émettant des faisceaux d’ondes radio comme un pulsar, étroitement associé à une naine blanche compacte. Le fond de la grille illustre les déformations de l’espace-temps provoquées par l’effet gravitationnel des deux objets. (John Antoniadis, Institut Max Planck de Radioastronomie )

Le mouvement de corps massifs à travers l’espace-temps perturbe sa toile, imprimant un signal qui se déplace loin comme une perturbation de la structure de l’espace-temps lui-même : les ondes gravitationnelles. L’animation ci-dessous, réalisée par l’ESA, permet de visualiser l’effet de ces oscillations, qui consistent en des étirements et des compressions séquentiels de l’espace-temps, augmentant et réduisant la distance entre les particules alors que l’onde se propage dans les environs.

Les ondes gravitationnelles émises par des objets en orbite emportent avec elles leur énergie. La physique élémentaire veut que si vous supprimez l’énergie d’un de ses systèmes, la distance entre les objets en orbite va diminuer et ils se tourneront autour de plus en plus près et plus rapidement qu’auparavant.

En fait, les ondes gravitationnelles qui ont accéléré un système binaire d’étoiles à neutrons furent la première preuve de leur existence. L’étoile à neutrons binaire a été découverte par Hulse et Taylor en 1974, et l’accélération provoquée par les ondes gravitationnelles a été décrite dans une étude publiée par Taylor et Weisberg en 1984, après une analyse minutieuse de 7 ans de données. Les chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour leur découverte.

Une simulation de deux trous noirs pris dans leur orbite mutuelle et les ondes gravitationnelles qu’ils produiraient. (S. Shapiro/ R. Gold/ V. Paschalidis/ M. Ruiz)

Trouver la preuve d’ondes gravitationnelles mettra fin à la recherche d’une prédiction clé dans la théorie d’Einstein, qui a changé la façon dont l’humanité perçoit des concepts comme l’espace et le temps.

Leur détection va ouvrir de nouvelles et passionnantes perspectives dans l’astronomie, permettant de mesurer de lointaines étoiles, des galaxies et des trous noirs sur la base des ondes qu’ils produisent. Celles que l’on appelle “ondes gravitationnelles primordiales”, les plus difficiles à détecter, correspondent à une autre grande théorie de la cosmologie, celle de « l’inflation cosmique » ou l’expansion exponentielle de l’Univers.

Les ondes primordiales sont théorisées comme résonnant encore dans tout l’Univers aujourd’hui, bien que faiblement. Si on les trouve, elles pourraient révéler les niveaux d’énergie au cours de l’inflation, faisant la lumière sur le Big Bang.

Les outils pour les détecter

Einstein, lui-même, doutait que les ondes gravitationnelles soient détectées un jour, car elles sont minuscules… vraiment minuscules.

Les ondulations émises par une paire de trous noirs en orbite, par exemple, rallongeraient/ étireraient une règle d’un million de kilomètres, sur Terre, de moins de la taille d’un atome.
Les ondes provenant de dizaines de millions d’années-lumière de distance étireraient et compresseraient un faisceau laser/ de lumière de quatre kilomètres sur Terre, comme ceux utilisés au Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), d’environ la largeur d’un proton.

Des télescopes sur Terre et dans l’espace se sont focalisés sur le fond diffus cosmologique, une faible lueur de lumière, laissée par le Big Bang, pour prouver qu’il était incurvé et étiré par les ondes gravitationnelles.

La carte ci-dessous présente la plus ancienne lumière dans notre univers, comme elle a été détectée avec la plus grande précision par la mission Planck. La lumière antique, appelée le fond diffus cosmologique, a été imprimée sur le ciel quand l’univers avait 370 000 années. Elle montre les minuscules fluctuations de température qui correspondent aux régions aux densités légèrement différentes, représentant les graines de toute la future structure : les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.

Il y a deux ans, les astrophysiciens américains ont annoncé qu’ils avaient finalement identifié des ondes gravitationnelles en utilisant un télescope appelé BICEP2, stationné au pôle Sud. Mais ils ont dû plus tard admettre qu’ils avaient commis une erreur.

Les ondes gravitationnelles en passant à travers un objet massif le déforment, l’étirant et le compressant dans le sens du déplacement de la vague, laissant un témoin, bien que minuscule, de l’effet.

Les détecteurs tels que ceux du LIGO (ou Virgo en Italie), sont conçus pour détecter de telles distorsions.

Au LIGO, les scientifiques séparent un faisceau laser en deux perpendiculaires qui se déplacent sur plusieurs kilomètres, de Hanford dans l’Etat de Washington, à Livingston en Louisiane, pour être réfléchie par des miroirs pour retourner au point d’où ils sont partis.

Toutes différences dans leur longueur indiquent l’influence des ondes gravitationnelles.

Schéma du dispositif expérimental LIGO (LIGO)

La partie du  Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory  (LIGO) se trouvant à Hanford (Caltech).

En décembre dernier, l’Agence spatiale européenne a lancé un laboratoire, appelé Lisa Pathfinder, pour rechercher des ondes gravitationnelles dans l’espace.

La découverte des ondes gravitationnelles

Le 14 septembre 2015, l’une des plus grandes éruptions d’ondes gravitationnelles s’est produite dans l’univers et elle a été détectée par le système laser du LIGO fraîchement mis à jour.

A environ 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre, deux trous noirs se sont pris au piège dans leur puits gravitationnel mutuelle et ils ont commencé à s’orbiter rapidement. Les trous noirs binaires sont considérés comme un élément incontournable du paysage cosmique, mais c’est la première fois que nous en avons directement détecté deux, de 29 et 36 fois la masse de notre soleil, juste avant leur fusion.

Une simulation de la fusion des trous noirs :

Leur joute gravitationnelle fut de courte durée. En une fraction de seconde, les deux objets en rotation rapide se sont touchés et, en un instant, les trous noirs ont perdu 3 fois la masse de notre soleil. Cette masse a été convertie en énergie gravitationnelle pure, atteignant un pic en puissance de 50 fois la production de toutes les étoiles de l’univers combinées.

Si nous prenons l’analogie “des vagues formées par un caillou tombé dans un étang » pour la génération d’ondes gravitationnelles, cette fusion de trou noir fut comme de jeter une brique dans cet étang; une vague gigantesque de l’énergie des ondes gravitationnelles a éclaté, projetant ces ondulations d’espace-temps dans l’univers. Ensuite, 1,3 milliard d’années plus tard, ces ondes atteignirent la Terre. Et il se trouve que LIGO venait d’être mis à jour pour détecter cet évènement antique.

La théorie suggère que lorsque deux trous noirs entrent en collision et fusionnent, le signal des ondes gravitationnelles doit produire une impulsion très rapide et, si suffisamment ralenties, la rapide rotation et la collision devraient être représentées dans les ondes comme un “Chirp” (bip/ gazouillis). Et presque exactement comme il l’a été prédit par les modèles informatiques sur la base de 100 ans équations d’Einstein de la relativité générale, la fusion du trou noir « gazouillait. », écoutez :

Ce que vous venez d’entendre sont les deux trous noirs qui s’orbitent mutuellement et finissent par fusionner pour n’en former qu’un, un évènement qui est supposé se produire quelque part dans l’univers une fois toutes les 15 minutes. C’est l’incarnation physique d’une quête de 100 ans pour les physiciens.

Il ne fait aucun doute quant à la validité du signal, c’est la fine pointe de la théorie physique rencontrant l’observation ; le “gazouillis” a été prévu et il représente la renaissance d’un trou noir.

Il est difficile de comprendre que ce signal, à partir de deux trous noirs, a traversé notre planète. En fait, il a traversé chaque personne sur la planète. Ce qui est arrivé de nombreuses fois et continuera à l’avenir, mais maintenant nous disposons de la bonne « aide auditive » installée pour détecter ces signaux. De plus, à partir du moment où le même signal est reçu par les deux stations LIGO, nous connaissons la direction approximative d’où il provient. La station Livingston (Louisiane) a “entendu le Chirp” 7 millisecondes avant la station Hanford (Washington), ce qui signifie que le signal provenait dans le ciel de l’hémisphère sud.

Le fait d’avoir une idée, même très approximative, de la provenance des ondes donne un aperçu d’un futur potentiellement très « prometteur » pour l’astronomie des ondes gravitationnelles; en ajoutant d’autres stations à un réseau du type LIGO et vous pouvez augmenter la triangulation du signal, ce qui signifie que nous pouvons commencer à identifier l’emplacement de certaines des régions les plus actives gravitationnellement de l’univers.

Si vous pouvez les repérer, vous pouvez les cartographier et puis nous avons la possibilité de voir le paysage gravitationnel du cosmos. Qui sait quels mystères nous découvrirons…

Présentation de la découverte (Caltech/ LIGO) :

L’étude publiée dans The Physical Review Letters : Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger  et présentée sur le site de Caltech :  Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction.