Des scientifiques américains ont observé pour la première fois des ondes gravitationnelles, postulées il y a cent ans par Albert Einstein. La «découverte du siècle» selon certains, qui va révolutionner l’étude des trous noirs, des étoiles du Big Bang
Einstein a eu tort et raison en même temps! Ce qui lui vaut ce jour de figurer à la une de la presse mondiale. Raison, parce qu’en 1916, le physicien a prédit l’existence de déformations de l’espace-temps appelées «ondes gravitationnelles». Et tort, parce qu’il estimait ces ondulations cosmiques indétectables, car bien trop faibles. Jeudi à Washington, des chercheurs ont annoncé avoir réalisé cette prouesse, déjà qualifiée de «découverte du siècle», tant «elle ouvre une nouvelle porte sur l’Univers», a déclaré David Reitze, directeur de l’expérience LIGO. «C’est un cadeau de la Nature», a ajouté sa collègue Gabriela Gonzalez.
Pour expliquer le concept d’«espace-temps», ce référentiel abstrait dans lequel s’inscrit l’Univers, les scientifiques aiment utiliser l’image d’un drap de lit tendu entre quatre pieux. Placez en son centre une boule de pétanque: elle y crée un creux. Plus l’objet est lourd, plus la courbure est marquée. De même, comme le drap, l’espace-temps se voit modifié par la présence des astres plus ou moins massifs.
La même métaphore sert à expliquer la force de gravitation. Lâchez sur le drap creusé une bille: sa trajectoire ne sera pas rectiligne, mais sera déviée par le creux, donc la masse le générant. Comme si la boule de pétanque avait attiré la bille vers elle lors de son passage.
Placez maintenant une deuxième boule sur ce drap, et faites tourner les deux objets ensemble autour d’un point central. Cette «danse» va imprimer au tissu des ondulations, similaires aux vagues que créent des cailloux lancés à la surface d’une marre plane. De même, les astres en mouvement dans l’Univers créeraient des vagues dans l’espace-temps, les «ondes gravitationnelles»; c’est ce qu’a postulé Einstein dans le cadre de sa théorie de relativité générale de 1915.
Les calculs ont ensuite suggéré que des couples d’objets célestes très massifs (trous noirs, étoiles à neutrons) pourraient générer des ondes gravitationnelles assez fortes pour déplacer les corps rencontrés sur leur passage, de même que la vague sur l’étang fait bouger les bouées qui y flotteraient. Pour vérifier cette idée, les physiciens ont construit des expériences de taille, basées sur un vieux principe, celui de l’interféromètre.
Cet instrument met en scène deux rayons orientés et un jeu de miroirs les réfléchissant. Il permet de détecter, en scrutant les flux de lumière, si l’un des miroirs a été déplacé. Et plus les rayons sont longs, plus l’instrument est précis. Aux Etats-Unis, le consortium LIGO a construit deux interféromètres géants, l’un en Louisiane, l’autre dans l’Etat de Washington, avec chacun deux bras de 4 km de long placés à angle droit, et hébergeant des rayons laser, qui sont réfléchis à chaque extrémité par des miroirs. L’appareillage, construit en 2002 mais amélioré dès 2010, est désormais sensible au point de repérer un déplacement d’un miroir correspondant à 1/10 000e du diamètre d’un proton! Un décalage qui pourrait alors être le signe du passage d’une onde gravitationnelle. Et LIGO a vite tenu ces promesses.
Enclenchée à mi-septembre 2015, la machine a aussitôt livré sa première trouvaille, au cœur de l’annonce faite jeudi par des chercheurs du California Institute of Technology, du MIT de Boston, et de LIGO, et publiée dans les Physical Review Letters. En utilisant la théorie d’Einstein, et en refaisant les calculs à l’envers, ils estiment que les ondes gravitationnelles qu’ils ont observées ont été générées par la «danse» rapprochée de deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires, qui ont «fini par fusionner en se collisionnant à une vitesse faramineuse correspondant à la moitié de celle de la lumière», a dit David Reitze.
«Bruit de fond»
Cette découverte ne fut pas une sinécure, tant les effets des ondes gravitationnelles sont infimes, comme avait averti Einstein. Il a fallu détecter la signature de leur passage dans le «bruit de fond», traduisant toutes les autres raisons susceptibles d’avoir fait bouger un des miroirs de LIGO, comme un mini-tremblement de terre, ou le simple passage d’un camion… «Mais les méthodes d’analyse statistique ont fait d’immenses progrès, commente Ruth Durrer, professeure de physique théorique à l’Université de Genève. Aujourd’hui, les modèles permettent de repérer avec grande acuité dans les données récoltées l’événement traqué».
En l’occurrence, avec une précision de plus «5.1 sigma», selon le jargon des physiciens; sur l’échelle idoine, 5 sigma est le seuil au-delà duquel les chercheurs se permettent d’annoncer une découverte, comme celle du boson de Higgs, la particule mise au jour en 2012 au CERN. Car à ce degré de précision, il est quasi impossible d’expliquer par le seul hasard l’apparition des données observées. Autrement dit, la probabilité d’erreur serait du même ordre que celle qui verrait des parasites radio reproduire une symphonie de Beethoven…
Mieux, les physiciens se sont prémunis contre tout emballement devant des données anormales: des spécialistes externes à LIGO sont à même d’instiller dans l’expérience de faux signaux, afin de vérifier que les scientifiques sont capables d’accomplir jusqu’au bout leur travail d’identification d’une vraie découverte. Une telle opération avait été réalisée en 2010, juste avant la fermeture de l’engin pour réfection. De quoi créer alors une immense excitation, avant que l’intervention externe ne soit rendue publique… «Ce genre d’exercice a servi à montrer que les détecteurs sont fiables», dit Ruth Durrer.
Cette fois, rien d’artificiel. «Cette découverte ouvre le passionnant et gigantesque champ de l’«astronomie gravitationnelle», s’est réjoui la physicienne. Et d’expliquer que, jusqu’à aujourd’hui, les astres étaient analysés à l’aide du rayonnement qu’ils émettent (visible, radio, UV, rayons X…). «Or désormais, la preuve de l’existence des ondes gravitationnelles nous offre un moyen inédit d’étudier les trous noirs, dont on sait peu de chose», ou encore les étoiles à neutrons et le cœur des astres. En effet, à l’inverse des rayonnements connus, qui se laissent stopper par d’autres objets célestes, les ondes gravitationnelles ont un pouvoir pénétrant infiniment plus grand, et sont diffusées sur de grandes distances dans l’Univers. Au point de livrer aussi des renseignements impossibles à acquérir autrement sur les phases très primitives du cosmos et sur les événements violents qui y ont eu lieu.
«La nouvelle ère qui s’ouvre en astronomie se veut très prometteuse», a dit Rainer Weiss, du MIT, et cofondateur de LIGO. Outre les deux interféromètres LIGO, les physiciens ont amélioré leur «frère» VIRGO, situé en Italie, qui entrera en service sous peu. Trois instruments qui permettront alors, par triangulation, de localiser dans le ciel les objets à l’origine d’ondes gravitationnelles, à commencer par le duo de trous noirs précité. Surtout, l’Agence spatiale européenne (ESA) développe le projet Lisa, visant à installer vers 2030 un interféromètre dans l’espace, avec des bras gigantesques d’un million de km, donc encore plus précis. «Maintenant que l’on sait que ces ondes gravitationnelles existent, construire ces instruments du futur n’est que plus souhaitable», plaide Ruth Durrer.
«Le couronnement d’une incroyable expérimentation»
«Tout comme la détection du boson de Higgs en 2012 a permis de tester et de confirmer la validité du Modèle Standard de la physique des particules, la présente détection des ondes gravitationnelles a permis de tester et de confirmer la théorie de la relativité générale. C’est donc une extraordinaire confirmation de l’intuition d’Albert Einstein. Mais c’est également le couronnement d’une incroyable expérimentation d’une précision extrême, développée depuis trente ans. Avec ces ondes, toute la communauté scientifique dispose désormais d’un nouvel outil pour étudier l’Univers. Une nouvelle fenêtre s’ouvre sur le monde.» Michelle Maggiore Université de Genève
«Suite aux améliorations techniques qui lui ont été apportées et à sa remise en service en 2015, LIGO est rapidement parvenu à détecter des ondes gravitationnelles. Etonnamment, elles proviennent de la fusion de deux trous noirs massifs, alors qu’on pensait ce type d’événement rare! Est-ce un coup de chance ou sont-ils plus fréquents qu’on l’imaginait? En tout cas, il est probable que de tels phénomènes seront de nouveau observés au cours de l’année à venir, soit par LIGO, soit par le détecteur européen VIRGO. De quoi faire beaucoup progresser les connaissances scientifiques autour de ces objets mystérieux…» Ismaêl Cognard Université d’Orléans
«Les ondes gravitationnelles qui ont été détectées par LIGO vont beaucoup nous apprendre sur les trous noirs. Elles pourraient également compléter nos connaissances sur la gravité elle-même. La plupart des expériences qui la testent se font sous des régimes dits faibles, autrement dit en condition de gravité basse. Avec ces ondes gravitationnelles, nous pourrions en savoir plus sur le comportement de cette force lorsqu’elle est très élevée. Sur un plan plus pratique, j’espère que tout cela va accélérer le développement des autres détecteurs d’ondes tels que Lisa, dont un premier élément a été lancé dans l’espace fin 2015.» Philippe Jetzer Université de Zurich
«Cela faisait des décennies que les physiciens cherchaient à observer des ondes gravitationnelles. Une preuve indirecte de leur existence avait déjà été obtenue dans les années 1970, lors de l’observation d’un couple d’étoiles à neutrons dont l’accélération correspondait précisément à ce qui était prévu par la théorie, en prenant en compte l’émission d’ondes gravitationnelles. Cette découverte avait valu le prix Nobel de physique aux Américains Joseph Taylor et Russell Hulse en 1993. Aujourd’hui, on va encore plus loin en détectant ces ondes directement: c’est une avancée majeure!» Thierry Courvoisier Université de Genève
L’interféromètre, l’art de mesurer des distances
L’interféromètre de Michelson fait interagir un faisceau de lumière avec lui-même: le faisceau est d’abord séparé en deux à l’aide d’une «lame» optique (1). Chacun des deux faisceaux ainsi créés suit l’un des deux parcours avant d’être réfléchi par un miroir dit de «sortie» (2). Les deux faisceaux sont ensuite recombinés dans la même lame optique (3), pour finir dans un détecteur (4). Suivant la différence de distance parcourue le long des deux bras, les signaux ondulatoires de ces deux faisceaux peuvent soit s’additionner (le détecteur voit alors de la lumière), soit se soustraire l’un à l’autre (le détecteur voit… du noir).
C’est cette propriété d’interférence que l’on retrouve au cœur de nombreux instruments de détection des ondes gravitationnelles. Si l’une d’elles traverse un tel interféromètre, elle déplace de manière infime les miroirs des bras, faisant dès lors aussi brièvement varier ce qu’observe le détecteur.
Pour détecter le passage d’une onde gravitationnelle, il faut mesurer des déplacements inférieurs à l’attomètre (soit un milliardième de milliardième de mètre, ou 10-18 m). Plus les bras de l’interféromètre sont grands, plus le dispositif est sensible. C’est pour cette raison que les instruments Virgo et LIGO utilisent des cavités de Fabry-Pérot: chacun des faisceaux rebondit à de multiples reprises entre les deux miroirs de cette cavité avant d’en ressortir. C’est ainsi que dans les bras de LIGO, longs de 4 km, la lumière parcourt 1600 km.
Le futur interféromètre spatial eLisa aura, lui, des bras d’un million de kilomètres!
