Les Ondes gravitationnelles

Jean-Pierre Lasota, Nathalie Deruelle

Description

Les ondes gravitationnelles : la plus grande découverte en astronomie depuis Galilée, couronnée par le prix Nobel de physique 2017. Il y a cent ans, Albert Einstein les avait prédites. Il s’est demandé ensuite si sa théorie de la « relativité générale » n’avait pas accouché d’une seconde chimère, après celle des trous noirs… … Le 14 septembre 2015 une onde passa sur Terre. Elle déplaça deux miroirs, situés à des kilomètres de distance, d’une fraction de la taille d’un proton. Messagère du ciel, elle apportait la nouvelle de la fusion de deux trous noirs il y a 1,5 milliard d’années, balayant d’un seul coup les doutes d’Einstein et de ses successeurs : non seulement les trous noirs existent, mais ils peuvent être en couple, et émettre alors des ondes gravitationnelles. Ce livre retrace toute l’aventure de cette découverte. Le lecteur pourra y muser au gré de ses intérêts, s’arrêter aux anecdotes sur les exploits de ses héros, toucher du doigt les meilleurs instruments de mesure au monde, admirer le ballet spiralant des étoiles, ou suivre les développements les plus récents de la relativité générale sans lesquels nous serions restés aveugles à ces spectacles. Nathalie Deruelle est directeur de recherche au CNRS au laboratoire Astroparticule et cosmologie de l’université Paris-VII-Denis-Diderot, et professeur affilié à l’Institut Yukawa de Kyoto. Jean-Pierre Lasota est directeur de recherche émérite au CNRS à l’Institut d’astrophysique de Paris Sorbonne Universités, et professeur au Centre d’astronomie Nicolas-Copernic de Varsovie. 

Sujets

• Astronomie
• Astrophysique
• Space Science
• Sciences et techniques
• Cosmology
• Science

Informations

• Publié par: Odile Jacob
• Date de parution: 28 février 2018
• Nombre de lectures: 3
• EAN13: 9782738143358
• Langue: Français

Extrait

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© O DILE J ACOB , MARS 2018 15, RUE S OUFFLOT , 75005 P ARIS
www.odilejacob.fr
ISBN : 978-2-7381-4335-8
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Ce document numérique a été réalisé par Nord Compo .
Nous dédions ce livre à tous ceux qui, en France et en Pologne,
ont contribué à la compréhension et la détection des ondes gravitationnelles,
au premier rang desquels
Henri Poincaré, Leopold Infeld, André Lichnerowicz, Yvonne Choquet-Bruhat, Andrzej Trautman, Thibault Damour et Alain Brillet.
PROLOGUE
GW150914 … GW170817  : de quoi s’agit-il ?

Le 14 septembre 2015, les deux miroirs de l’observatoire d’ondes gravitationnelles de Livingston (Louisiane) tremblent légèrement pendant une fraction de seconde. Ils pèsent une quarantaine de kilos et sont suspendus au fond de leurs tubes à vide respectifs de 4 kilomètres de long qui se croisent à angle droit. Les deux faisceaux laser qu’ils réfléchissent se combinent sur le détecteur central , et c’est une variation d’intensité lumineuse qui mesure leur frémissement. Quelques millisecondes plus tard, deux autres miroirs , à Hanford dans l’État de Washington, tremblent à leur tour.
C’est sans témoins que les mouvements des miroirs sont enregistrés : il fait nuit sur les deux sites, et les appareils sont en phase de mise au point et non en mode opératoire. Mais le consortium qui pilote l’expérience regroupe plus de mille chercheurs dispersés dans le monde et l’un d’eux, postdoc à Hanovre où il fait grand jour, est à son poste en ce lundi matin. Un de ses rôles est de surveiller l’arrivée des courriels d’alerte, envoyés au bout de quelques minutes lorsqu’un premier nettoyage automatique des données fait ressortir des signaux potentiellement intéressants. Il en reçoit en moyenne un par jour. Peu avant midi un tel message tombe, daté de 09:50:45 UTC. Il suit le protocole, appelle un collègue. Surpris par la puissance du signal, ils téléphonent aux salles de contrôle américaines pour vérifier qu’il ne s’agit pas d’un signal volontairement injecté pour tester les appareils ; personne n’est en ligne à Hanford , mais Livingston répond que rien de spécial n’est en cours. Ils préviennent donc toute la collaboration ; sans le savoir encore, ils sont les premiers à avoir vu l’« événement ».
Quelques heures plus tard mille personnes aux quatre coins du monde sont en ébullition car ce signal si net correspond à ce que tous attendent : le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre , détecté pour la première fois. De plus, le signal est si clair qu’on y lit, quasiment à l’œil nu, que ces ondes ont été émises lors de la fusion de deux trous noirs.
Un minutieux travail complémentaire d’analyse des données est cependant nécessaire pour s’assurer de la réalité de l’événement et en préciser les détails. Il sera effectué dans le plus grand secret pour éviter des fuites vers la presse qu’il serait embarrassant d’avoir à démentir. Cela prendra cinq mois. L’annonce officielle est faite le jour même de la publication des résultats dans Physical Review Letters , signée par 1 005 coauteurs, originaires de 133 institutions et 16 pays différents :

«  Ladies and Gentlemen…
We… have detected… gravitational waves. We did it !  »
(David R EITZE , LIGO executive director, Conférence de presse du 11 février 2016, Washington .)
Cet événement a été dénommé GW150914  : GW pour gravitational wave , soit « onde gravitationnelle », et 15 09 14 pour la date, inversée à l’américaine.
 
Un second événement similaire, GW151226 , détecté le 26 décembre 2015, fut annoncé le 15 juin 2016. Une nouvelle campagne d’observation débuta en novembre 2016, et, le 1 er  juin 2017, une troisième coalescence de trous noirs était publiée, GW170104 . Début août, l’interféromètre européen Virgo , situé à Cascina en Italie, rejoignait la campagne d’observation, in extremis car elle s’est achevée un mois plus tard ; et le 27 septembre, on apprenait que Virgo avait contribué à détecter une quatrième coalescence de trous noirs, GW170814 .
Une cinquième annonce, le 16 octobre 2017, confirmait les rumeurs courant dans les blogs et même dans les colonnes de la revue Nature depuis l’été : une coalescence , de deux étoiles à neutrons cette fois, observée le 17 août dans la galaxie NGC 4993, accompagnée d’un flash de lumière, un « sursaut gamma  » suivi d’un véritable feu d’artifice dans tout le spectre électromagnétique. Le 15 novembre 2017, autre annonce : celle d’une nouvelle coalescence de deux trous noirs, observée le 8 juin, GW170608 . Il devient difficile de suivre l’actualité !
Ces découvertes sont aussi importantes pour l’histoire de la science que celle des satellites de Jupiter il y a quatre cents ans. Galilée , en braquant nuit après nuit sa lunette vers le ciel, avait alors inventé l’astronomie moderne, fondée sur l’utilisation d’instruments d’optique de plus en plus puissants. Le 14 septembre 2015 a débuté l’ère d’une nouvelle astronomie qui forgera dans le siècle à venir notre vision du monde, fondée, elle, sur l’observation, non de la lumière, mais des ondes gravitationnelles que les astres en mouvement émettent.
 
Si vous avez ce livre entre les mains, c’est que l’astronomie, la gravitation qui régit le mouvement des astres et la théorie d’Einstein de la relativité générale qui la décrit vous intéressent. Vous savez qu’on ne peut pas voir les trous noirs car leur gravité est telle qu’ils n’émettent aucune lumière. Ni les lunettes optiques, ni les radiotélescopes , ni les satellites X ou gamma, aucun des instruments de l’astronomie sensibles aux ondes électromagnétiques , c’est-à-dire à la lumière sous toutes ses formes, ne peut détecter des trous noirs s’ils ne sont pas entourés de matière ordinaire lumineuse.
Imaginez maintenant dans le vide intersidéral deux trous noirs orbitant l’un autour de l’autre. Par définition, ils sont invisibles. La théorie d’Einstein prédit qu’ils se rapprochent l’un de l’autre en spiralant, lentement d’abord, pendant des millions, voire des milliards d’années, puis de plus en plus vite, pour atteindre presque la vitesse de la lumière , fusionner en une fraction de seconde et laisser derrière eux, après quelques brefs soubresauts, un seul trou noir.
Si les télescopes sont aveugles à un tel événement, il peut pourtant être détecté parce qu’il produit des remous sous forme d’ondes gravitationnelles. Vous avez entendu dire (même si l’expression est vague) que les objets massifs « déforment la géométrie  ». Lorsque deux astres orbitent l’un autour de l’autre, ces déformations de la géométrie , que l’on peut appeler des « tremblements de ciel  », se propagent au loin à la même vitesse que celle de la lumière, emportant avec elles des informations sur le système, le rétrécissement progressif de son orbite et sa coalescence finale en un seul trou noir. Lorsqu’elles atteignent la Terre , ces ondes gravitationnelles sont devenues minuscules et notre géométrie locale est à peine perturbée. Mais les deux détecteurs américains LIGO (Observatoire gravitationnel par interférométrie laser) ont néanmoins tremblé l’un après l’autre pendant quelques dixièmes de seconde au passage de telles ondes, le 14 septembre 2015 à 09:50:45 UTC. Et les signaux qu’ils ont enregistrés, après un travail d’analyse de plusieurs mois, sont en parfait accord avec ce que prédisent les théoriciens  : ils sont la signature gravitationnelle de la coalescence de deux trous noirs.
 
Quelques ordres de grandeur aident à comprendre l’exploit expérimental que cela constitue.
Le rayon du Soleil est de 700 000 kilomètres, celui d’un trou noir de même masse est de 3 kilomètres, il tiendrait largement à l’intérieur du périphérique parisien. Les masses des deux trous noirs initiaux de GW150914 étaient de 29 et 36 fois la masse du Soleil, leurs rayons (proportionnels à leurs masses) d’une centaine de kilomètres. Leur coalescence a eu lieu à 1,5 milliard d’années-lumière de la Terre , à comparer au diamètre de notre Galaxie qui est 15 000 fois moindre. Détecter un objet de 150 kilomètres de rayon à 1,5 milliard d’années-lumière revient à voir une pièce de monnaie située à l’emplacement de Rigel , l’étoile la plus brillante de la constellation d’Orion , située à environ 1 000 années-lumière… Sauf qu’on n’a pas vu ces trous noirs ; c’est l’onde gravitationnelle qu’ils ont émise en fusionnant qui a été détectée 1,5 milliard d’années plus tard – par le déplacement relatif des miroirs de LIGO qui ont accompagné la perturbation de notre géométrie locale lorsque l’onde a atteint la Terre : ce qui revient à mesurer un déplacement de 1 mètre à l’autre bout de notre Galaxie, ou de la taille d’un atome à la surface du Soleil…
Lorsqu’elles atteignent la Terre , les ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs (ou deux étoiles à neutrons ) sont devenues minuscules, cela est un effet de perspective. Le flux d’énergie des ondes diminue comme l’inverse du carré de la distance à leur source, donc plus elle est loin, plus elle paraît faible à l’observateur : les phares de la voiture qui nous aveuglent lo