Monde de la physique : ondes gravitationnelles

Ils se déplacent dans le cosmos à la vitesse de la lumière, comprimant et étirant l’espace qu’ils traversent : les ondes gravitationnelles. Leur recherche est restée infructueuse pendant plusieurs décennies, jusqu’à ce que la première détection directe soit finalement effectuée à l’automne 2015. Cela a ouvert une toute nouvelle approche de l’univers.

L’histoire des ondes gravitationnelles commence dans les années 1890. À cette époque, Oliver Heaviside émettait l’hypothèse que non seulement les champs électromagnétiques se propageaient sous forme d’ondes, mais aussi la gravité. La force entre deux masses et la force entre deux charges électriques se comportent de manière analogue lorsque la distance entre les deux masses ou charges change. Mathématiquement, les deux forces fondamentales peuvent donc être décrites de manière très similaire. Sur la base de ces parallèles, le physicien a conclu qu’en plus des ondes électromagnétiques, des ondes gravitationnelles pourraient également exister.

Henri Poincaré franchit une nouvelle étape décisive dans ce domaine en 1905. La base de ses travaux était un postulat central de la théorie de la relativité restreinte, publiée à la même époque par Albert Einstein. En conséquence, rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière – pas même la gravité ou les changements dans un champ gravitationnel. Poincaré a proposé que les ondes gravitationnelles émanent de masses accélérées et se propagent à la vitesse de la lumière. Comme pour Heaviside, il a utilisé des charges électriques comme modèle : lorsqu’elles sont accélérées, elles émettent des ondes électromagnétiques.

l’espace et le temps

La théorie de la relativité générale, publiée par Albert Einstein en 1915, a finalement jeté des bases solides pour prédire les ondes gravitationnelles. Contrairement à avant, Einstein ne considère pas la gravité comme une force, mais comme une propriété géométrique de l’espace ou, plus précisément, de l’espace-temps, composé des trois directions spatiales et du temps comme quatrième dimension. Chaque masse déforme donc l’espace-temps et influence ainsi les trajectoires des autres corps. Cependant, dans son article original, Einstein n’a fait aucune déclaration sur les ondes gravitationnelles.

Dans ses travaux ultérieurs et lors d’échanges avec d’autres experts, Einstein a abordé le sujet à plusieurs reprises, mais il est resté sceptique tout au long de sa vie. Les effets provoqués par les ondes gravitationnelles – de minuscules distorsions de l’espace-temps – sont probablement bien trop faibles pour être jamais détectables. En fait, il doutait même de l’existence des ondes gravitationnelles. D’autres physiciens théoriciens étaient plus confiants et continuaient à chercher des moyens de prouver mathématiquement l’existence d’ondes gravitationnelles dans le cadre de la relativité générale. Ils connurent du succès à la fin des années 1950. Einstein était déjà mort à ce moment-là.

Une fois le phénomène identifié par des moyens mathématiques, les premiers tests expérimentaux ont commencé. Au départ, on utilisait de grands cylindres métalliques qui, selon l’idée, étaient amenés à vibrer par des ondes gravitationnelles. Cependant, cette méthode n’a apporté aucune preuve. Au lieu de cela, la première preuve solide du phénomène est venue de deux radioastronomes.

Détection des ondes gravitationnelles

Russell Alan Hulse et Joseph Taylor ont découvert deux étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre en 1974. Les deux restes d’étoiles autrefois massives se rapprochent lentement sur leurs orbites, provoquant une perte continue d’énergie du système binaire. La perte d’énergie déterminée par les deux chercheurs correspondait exactement à l’énergie que devrait rayonner un tel système sous forme d’ondes gravitationnelles selon la théorie de la relativité. Hulse et Taylor ont reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour leur découverte et leur interprétation du système binaire.

La première détection directe d’ondes gravitationnelles a eu lieu des décennies plus tard, le 14 septembre 2015. Ce jour-là, les deux détecteurs Advanced LIGO aux États-Unis ont reçu un signal suspect provenant de l’immensité de l’espace. Comme il s’est avéré un peu plus tard, il provenait d’un système binaire situé à environ 1,3 milliard d’années-lumière de nous. Deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires tournaient l’un autour de l’autre sur des orbites de plus en plus étroites et ont finalement fusionné pour former un trou noir encore plus massif. Au cours de cet événement, le système a libéré de fortes ondes gravitationnelles qui se sont depuis déplacées à travers le cosmos à la vitesse de la lumière et ont également traversé les détecteurs LIGO sur Terre au cours de leur voyage.

Construction d’un interféromètre laser

Les deux systèmes se composent de deux bras perpendiculaires l’un à l’autre, à travers lesquels passe un faisceau laser. Des miroirs au bout des deux tubes réfléchissent à nouveau la lumière pour finalement superposer les deux faisceaux. Une onde gravitationnelle qui passe étire un bras tout en comprimant l’autre. Cela provoque un allongement ou un raccourcissement des distances parcourues par les faisceaux laser – et les deux ondes lumineuses n’oscillent plus de manière synchronisée, ce qui crée un signal caractéristique.

“Pour leurs contributions cruciales au détecteur LIGO et à l’observation des ondes gravitationnelles”, Kip Thorne, Rainer Weiss et Barry Barish ont reçu le prix Nobel de physique en 2017. Il existe aujourd’hui plusieurs détecteurs d’ondes gravitationnelles qui fonctionnent sur le même principe que LIGO. Avec une longueur de bras de quatre kilomètres, LIGO reste à ce jour le plus grand interféromètre dit laser. Les systèmes Advanced Virgo en Italie et KAGRA au Japon ont chacun une longueur de bras de trois kilomètres. Le 24 mai 2023, la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA a lancé sa quatrième campagne d’observation conjointe – avec des instruments encore améliorés. Un détecteur d’ondes gravitationnelles en Allemagne est également impliqué : le GEO600 près de Hanovre a une longueur de base de 600 mètres.

À l’avenir, les chercheurs aimeraient également rechercher les ondes gravitationnelles directement dans l’espace. À cette fin, ils planifient actuellement la mission « Laser Interferometer-Space Antenna », ou LISA en abrégé : trois satellites formeront un triangle équilatéral dans l’espace et enverront des faisceaux laser entre eux. Il est ainsi possible de créer un interféromètre laser d’une longueur de bras d’environ 2,5 millions de kilomètres. Cela correspond à environ six fois et demie la distance entre la Lune et la Terre. L’énorme longueur du bras permettait de mesurer des longueurs d’onde beaucoup plus longues ou des fréquences plus basses. Cela permettrait, par exemple, d’avoir un aperçu des systèmes binaires d’étoiles à neutrons ou même de trous noirs des années avant qu’ils ne fusionnent. Le démarrage est actuellement prévu pour 2037.

état de la recherche

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles déjà actifs sur Terre ont enregistré près d’une centaine d’événements différents. Il s’agit dans la plupart des cas de collisions entre deux trous noirs, mais des collisions entre trous noirs et étoiles à neutrons ou entre deux étoiles à neutrons ont également été observées. Un exemple est le signal déclenché par la fusion de deux étoiles à neutrons dans la galaxie NGC 4993, à 130 millions d’années-lumière, du 17 août 2017. Cet événement était également remarquable pour une autre raison : pour la première fois, des ondes gravitationnelles et électromagnétiques le rayonnement pourrait être reçu d’une seule source en même temps. Les données enregistrées fournissent une image détaillée de ce qui s’est passé – de trois minutes avant la fusion jusqu’à plusieurs semaines après.

Les fusions d’objets compacts découvertes jusqu’à présent par LIGO et Virgo

Même si les événements détectés jusqu’à présent diffèrent, les longueurs d’onde ou les fréquences des signaux d’ondes gravitationnelles reçus jusqu’à présent sont similaires. Ce n’est pas étonnant : après tout, les détecteurs précédents sont conçus pour une gamme de fréquences spécifique, de quelques hertz à quelques kilohertz. Les futurs détecteurs spatiaux pourraient évoluer dans des gammes de fréquences nettement inférieures. LISA serait sensible aux ondes gravitationnelles jusqu’au dixième de millihertz. Une méthode appelée « Pulsar Timing Arrays » offre un accès à des fréquences encore plus basses.

Les pulsars sont des étoiles à neutrons, c’est-à-dire des restes stellaires ultra-denses qui émettent des faisceaux radio hautement focalisés. En raison de la rotation rapide des étoiles, ces rayons voyagent dans l’espace, à la manière d’un phare. Si la Terre se trouve sur leur chemin, les astronomes enregistrent régulièrement de courtes impulsions radio. Les pulsars dont la période de rotation est de l’ordre de la milliseconde sont particulièrement intéressants. Les impulsions de ces objets frappent la Terre à un rythme si régulier que même certaines horloges atomiques ne peuvent pas suivre en termes de précision.

Illustration d’un pulsar

Néanmoins, les impulsions arrivent parfois sur notre planète un peu trop tôt ou trop tard. Divers effets pourraient en être la cause, notamment les ondes gravitationnelles, qui déforment l’espace entre le pulsar et la Terre et influencent ainsi le temps de parcours des ondes radio. Plusieurs projets internationaux surveillent donc le tic-tac des horloges cosmiques et recherchent spécifiquement les irrégularités. Les équipes vérifient si une onde gravitationnelle de très basse fréquence est réellement à l’origine d’une découverte en comparant les données de mesure de nombreux pulsars situés à différentes positions dans le ciel.

En juin 2023, cinq groupes ont publié indépendamment des observations indiquant les ondes gravitationnelles souhaitées dans la gamme des nanohertz – les longueurs d’onde ici sont de l’ordre des années-lumière. Les sources possibles incluent, par exemple, les centres de galaxies lointaines dans lesquelles deux trous noirs supermassifs gravitent autour de l’un autour de l’autre sur des orbites rapprochées. Cependant, une petite prudence s’impose tout de même. En physique, on ne parle de découverte que lorsque le résultat d’une expérience survient par hasard avec une probabilité inférieure à un sur un million.

Les données présentées par les collaborations internationales ne répondent pas encore à ce critère : la probabilité que les résultats soient de nature aléatoire se situe encore entre 1 sur 300 et 1 sur 10 000. Dans les années à venir, les scientifiques impliqués souhaitent élargir leurs ensembles de données et sont optimistes quant au fait que « l’étalon-or » sera finalement atteint.