Initiation aux ondes gravitationnelles

Un siècle après que l’existence des ondes gravitationnelles eut été proposée comme conséquence de la théorie de la relativité générale d’Einstein, des physiciens du MIT, de Caltech et de l’équipe scientifique du LIGO ont annoncé cette semaine la détection de ces phénomènes importants mais presque imperceptibles.

La suite donne un aperçu de ce que sont les ondes gravitationnelles, de la manière dont on les a trouvées et des raisons pour lesquelles elles pourraient modifier en profondeur notre compréhension de l’univers.

Voici d’abord un aperçu général :

Les ondes gravitationnelles : une nouvelle fenêtre sur l’univers
 

1. En bref, que sont les ondes gravitationnelles?

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations du tissu de l’espace-temps. Elles sont produites lorsque deux objets massifs — p. ex. des trous noirs ou des étoiles à neutrons — tournent l’un autour de l’autre à des vitesses extrêmement grandes et entrent en collision.

L’énergie résultant de telles collisions est immense au point de dépasser l’entendement, mais la force de gravité est si faible que seuls des instruments extrêmement sensibles comme le LIGO avancé (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Observatoire avancé d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser) peuvent les détecter.

Une minute sur les ondes gravitationnelles
 
 

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations du tissu de l’espace-temps produites par la collision d’objets massifs tels que les trous noirs d’un système binaire.
Image : NASA, CXC, A. Hobart, J. Barnes (Université d’Hawaï), J. Hilbard (NRAO)
 

2. Comment le LIGO a-t-il trouvé des ondes gravitationnelles?

L’équipe scientifique du LIGO utilise des lasers pour mesurer des distances avec une incroyable précision. Chacun des observatoires du LIGO — l’un à Hanford, dans l’État de Washington, et l’autre à Livingston, en Louisiane — a la forme d’un immense L dont les bras font 4 km de long.

Chaque bras renferme un laser qui, au passage d’une onde gravitationnelle, enregistre un minuscule changement de longueur par rapport à l’autre bras. Cette différence de longueur est incroyablement petite : le rayon laser de 4 km contenu dans le détecteur se contracte d’une fraction du diamètre d’un atome.

Le LIGO original a fonctionné de 2002 à 2010 comme démonstration de faisabilité. Après d’importantes améliorations, le LIGO avancé a commencé à faire des observations officielles en septembre 2015.

Gabriela Gonzalez, porte-parole du LIGO avancé, explique comment fonctionne l’interféromètre du LIGO :

Comment le LIGO cherche des ondes gravitationnelles
 
 

Même si les « bras » du LIGO sont immenses — 4 kilomètres chacun —, ils sont conçus pour détecter des modifications incroyablement minuscules provoquées par le passage d’ondes gravitationnelles : un cent-millionième du diamètre d’un atome d’hydrogène.
Image : LIGO
 

3. Les ondes gravitationnelles sont-elles longues?

Selon Avery Broderick, astrophysicien à l’Institut Périmètre, cela dépend ce que l’on entend par « longues ».

À propos de longueur d’onde, la distance entre 2 crêtes d’onde consécutives peut aller d’un kilomètre à la taille de l’univers. « Différents phénomènes vont produire des ondes gravitationnelles de différentes longueurs » [traduction], explique-t-il.

Même si les ondes gravitationnelles peuvent transporter d’énormes quantités d’énergie, « les conséquences observationnelles sont minuscules, ajoute M. Broderick. C’est parce qu’il y a très peu d’interaction avec la force de gravité. Les interféromètres au laser du LIGO sont conçus pour mesurer des fluctuations de distance inférieures au diamètre d’un proton sur des kilomètres. » [traduction]

Pour que les scientifiques demeurent vigilants, de faux signaux ont été délibérément ajoutés aux données du LIGO dans le passé, afin de s’assurer que tous les mécanismes soient en place pour vérifier l’exactitude d’une détection réelle.
Image : LIGO
 

4. Si l’on ne peut ni les voir ni les sentir, comment l’humanité a-t-elle pu imaginer que des ondes gravitationnelles puissent même exister?

Toute l’idée des ondes gravitationnelles vient de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Il a fallu près d’un siècle pour que la technologie rattrape nos idées et permette aux scientifiques de prouver l’exactitude de la théorie.

La théorie est cruciale pour déterminer ce qu’il faut chercher et comment le chercher. À l’instar des ondes sonores, les ondes gravitationnelles sont invisibles et pourraient facilement se perdre dans le bruit ambiant de l’univers.

Déterminer les signaux à rechercher et la manière de les extraire de toutes les données captées par les détecteurs constitue en grande partie un travail de théoricien.

Une fois les données recueillies, les théoriciens participent activement à l’analyse des montagnes d’information qu’elles contiennent.

Ondes gravitationnelles : Le rôle de la théorie
Avery Broderick, professeur associé à l’Institut Périmètre
 
 

En 1993, le prix Nobel de physique a été attribué à Russell Hulse et à Joseph Taylor pour avoir mesuré un système binaire montrant que les ondes gravitationnelles étaient davantage qu’un concept théorique.
Image : ESO, L. Calçada
 

5. Que signifie cette découverte pour la science?

Les connaissances et les recherches actuelles reposent sur des observations portant sur le rayonnement électromagnétique, entre autres les ondes radio. La capacité de détecter et d’analyser les ondes gravitationnelles procure un moyen supplémentaire d’étudier l’univers.

Voici quelques expériences en cours de conception ou de réalisation :

• Télescope Einstein : On a proposé la construction en Europe de ce détecteur d’ondes gravitationnelles dit de 3^e génération. Fondé sur le même concept d’interféromètre que celui du LIGO, il ferait appel à 3 détecteurs souterrains ayant chacun des bras de 10 km de long. Il permettrait d’étudier avec précision des sources d’ondes gravitationnelles.
• KAGRA : Autre détecteur souterrain de 3^e génération, le KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector – Détecteur d’ondes gravitationnelles de Kamioka) devrait entrer en service au Japon en 2018.
• eLISA : Dispositif dont le lancement est prévu pour 2034, eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna – Antenne spatiale évoluée à interféromètre laser) serait un détecteur spatial d’ondes gravitationnelles formé de 3 interféromètres suivant l’orbite de la Terre autour du Soleil et reliés par des lasers formant un interféromètre de grande précision. Proposé par l’Agence spatiale européenne (ESA) puis mis en veilleuse pendant des années, ce projet est revenu à l’avant-plan lorsque l’ESA a lancé le satellite LISA Pathfinder afin de tester les technologies qui seraient utilisées dans eLISA.

« C’est extrêmement enthousiasmant. L’astronomie des ondes gravitationnelles nous permettra de vraiment mettre à l’épreuve la théorie d’Einstein jusqu’à des limites extraordinaires. » [traduction]
– Luis Lehner, cosmologiste à l’Institut Périmètre
 

6. Que signifie cette découverte pour la cosmologie, et pour l’humanité?

La détection d’ondes gravitationnelles répond à une grande question et fournit à la science un nouvel outil permettant de répondre à beaucoup d’autres questions. L’une des perspectives les plus excitantes pour les scientifiques est la possibilité d’étudier l’univers sombre : des objets et des forces qui constituent l’essentiel de l’univers, mais qui n’émettent ou ne réfléchissent aucune lumière.

« L’histoire et l’expérience montrent que lorsque nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l’univers, nous découvrons des choses complètement différentes et inattendues, affirme M. Broderick. Je serais surpris si l’univers vu à travers les ondes gravitationnelles ne s’avérait pas totalement différent de ce que nous connaissons actuellement. » [traduction]

Parmi les autres expériences proposées portant sur les ondes gravitationnelles, mentionnons eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna – Antenne spatiale évoluée à interféromètre laser), qui consiste à faire rebondir des rayons lasers entre 3 satellites situés à des millions de kilomètres les uns des autres, afin de détecter de minuscules ondulations de l’espace.
Image : ESA, C. Carreau
 
 

Ondes gravitationnelles : Qu’est-ce qui s’en vient?