Le Cygne noir 2017-2018

Le Cygne noir 2017-2018

Journal des élèves de l'IPSA Paris

Voyage au cœur de l’espace-temps : les ondes gravitationnelles

Mise en ligne en décembre 2017

Nouvelle consécration pour la communauté scientifique :

2 ans après la confirmation de l’existence des ondes gravitationnelles elles viennent à nouveau secouer la communauté scientifique. Le 9 octobre dernier leur détection a permis à 3 chercheurs de recevoir le prix Nobel de physique. Mais ce n’est pas tout ! Quelques jours auparavant ce sont les 2 français Alain Brillet et Thibault Damour qui s’étaient vu remettre la médaille d’or du CNRS pour leurs travaux sur les ondes gravitationnelles.
Récompenses scientifiques, livres, reportages et conférences : les ondes gravitationnelles n’ont pas fini de faire parler d’elles. Ces phénomènes physiques n’intéressent pas que les « grosses têtes » du monde, elles touchent également le grand public : férues d’astronomie ou débutants curieux, ce sont des milliers de personnes qui se sont réunies le 20 mars dernier dans douze villes de France, ainsi qu’à Florence et Cascina pour assister à la « Nuit des ondes gravitationnelles ». Au programme : conférences, projections, jeux et tables rondes, tout était réuni pour nourrir la curiosité des scientifiques en herbe.

 

Mais comment s’explique cet engouement ?

 

En plus de valider définitivement la théorie de la relativité générale d’Einstein, les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle fenêtre sur l’Univers qui vient compléter celles que nous avions déjà, c’est-à-dire la lumière visible, les ondes radios, les rayons X, infrarouges, ultraviolets et même les neutrinos (des particules ultralégères interagissant très peu avec la matière). Jusqu’à présent nous avions la vue, maintenant nous avons l’ouïe.
Alors que 3 des 4 théories d’Einstein sont rapidement validées après qu’elles ont été énoncées, une restait encore à prouver ; celle de l’existence des ondes gravitationnelles.100 ans après l’hypothèse d’Einstein, le mystère demeurait entier.

 

Mais qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

 

Illustration – L’interaction de deux corps forment des ondes gravitationnelles qui vont se propager dans l’Univers. (source : NASA)

 

Finalement, c’est assez simple. Tout corps en mouvement ayant une masse émet des ondes gravitationnelles. Nous-mêmes, sur Terre, nous émettons des ondes gravitationnelles. Il nous suffit de nous mettre en mouvement. Cependant, ces ondes sont imperceptibles car bien trop faibles. Autrement dit, une onde gravitationnelle n’est rien d’autre que la propagation d’une déformation de l’espace-temps. Pour donner une image, il suffit d’imaginer une flaque d’eau dans laquelle nous jetterions une pierre. Les vagues produites par la roche et qui se propagent à la surface de l’eau sont les ondes qui voyagent à travers l’espace-temps.
Selon Einstein, les ondes gravitationnelles voyageraient à la vitesse de la lumière mais contrairement à celle-ci elles ne seraient déviées par aucun corps astral quelle que soit sa masse, l’énergie qu’il libère ou son positionnement dans l’espace-temps. Autrement dit, les ondes gravitationnelles traversent les obstacles qu’elles rencontrent sans être modifiées.

 

Elaborée par Albert Einstein entre 1905 et 1915, la théorie de la relativité générale constitue le fondement de la physique moderne. Avant elle, les études physiques se basaient sur la théorie newtonienne. La principale différence entre les 2 théories réside dans la définition qu’ont les 2 physiciens de la gravitation.

 

L’interaction de deux corps forment des ondes gravitationnelles qui vont se propager dans l’Univers. Dans l’hypothèse d’Einstein, la gravitation n’est pasune force comme le supposait Newton mais la manifestation de la courbure de l’espace-temps.

En effet, selon Einstein l’espace-temps peut se comparer à un tissu élastique. De ce fait, chaque corps astral y crée une dépression notamment selon sa masse. Ainsi, plus un corps est lourd plus il déforme l’espace-temps.

La relativité générale repose sur 4 théories majeures :

 

– La théorie de la lentille gravitationnelle : Selon Einstein la lumière suit les géodésiques (c’est à dire les lignes de l’espace-temps) qui sont déformés aux abords d’un corps massif. Ainsi, et contrairement aux hypothèses newtoniennes, la lumière est déviée dans ces zones.
Cette théorie a été vérifiée après l’étude de la position d’étoiles proches du Soleil lors d’une éclipse solaire.
– La théorie du Big-Bang : Tous les corps célestes semblent s’éloigner les uns des autres tel des particules après une explosion. Les études menées à ce sujet tendent à montrer qu’il y a bel et bien une origine à l’univers et que celui est depuis en expansion.
– La théorie des trous noirs : Einstein suppose qu’il existe des corps si massifs qu’ils courbent l’espace-temps et retiennent définitivement la lumière. Nous savons aujourd’hui que ces objets existent bel et bien.
– Reste alors une dernière théorie, celle de l’existence d’ondes gravitationnelles.

Nous avions la vue, maintenant nous avons l’ouïe

Néanmoins, pour pouvoir les détecter, il faut que ces déformations de l’espace-temps soient extrêmement importantes : il faudrait un cataclysme cosmique dans une zone proche de la Terre pour percevoir de notre planète ne serait-ce qu’une infime perturbation de l’espace-temps. Il existe pourtant certains évènements capables de bouleverser l’espace-temps. Selon les physiciens, la collision de 2 importants trous noirs en orbite serait une façon de détecter des ondes gravitationnelles sur Terre. En effet, un tel phénomène aurait l’ampleur suffisante pour que les ondes gravitationnelles qui s’en dégagent puissent être observées.
Afin de réussir à détecter de telles ondes, les physiciens et scientifiques du monde entier se sont penchés sur la construction d’un appareil hypersensible capable de percevoir les variations les plus minimes dans l’espace-temps : l’interféromètre. Le principe de fonctionnement de ce détecteur géant est relativement simple à comprendre :

 

Il est composé de 2 tunnels perpendiculaires de plusieurs kilomètres de long. Pour détecter des ondes gravitationnelles, le montage utilise le principe d’interférences. Un rayon laser est envoyé sur un miroir qui le sépare en 2 faisceaux. Chacun parcourt l’un des bras à l’extrémité desquels se trouve un nouveau miroir qui renvoie à son tour le rayon laser.

 

Illustration – Le fonctionnement de l’interféromètre est basé sur le principe d’interférence.(source : LIGO VIRO)

 

Après plusieurs allers-retours pour augmenter la précision, le faisceau sort du bras pour croiser l’autre. Les 2 faisceaux se recomposent alors pour ne reformer qu’un unique rayon laser. Si les 2 faisceaux ont parcouru la même distance, ils se retrouvent à l’intersection pile au même moment. En revanche, si une onde gravitationnelle a traversé l’un des bras alors le trajet du faisceau est étiré ou rétracté. Ainsi, comme le passage d’une onde gravitationnelle a raccourci ou rallongé le bras, l’un des faisceaux sort un peu avant ou un peu après l’autre.
Il existe sur l’ensemble du globe plusieurs détecteurs comme celui-ci. LIGO (Hanford, Washington et Livingston, Louisiane), VIRGO (Cascina,Italie) et GEO600 (Hanovre, Allemagne) sont les plus actifs.
C’est grâce aux interféromètres que le 14 septembre 2015 nous avons réussi à détecter pour la toute première fois des ondes gravitationnelles. Celles-ci sont dues à la fusion de trous noirs supers massifs 1.3 milliards d’années plus tôt. Chaque trou noir avait un diamètre de plus de 200km et une masse égale à 30 masses solaires. L’énergie dégagée par cette collision est 50 fois plus intense que toute la lumière stellaire réunie. L’onde gravitationnelle parvenue sur Terre il y a 2 ans a voyagé 1,3 milliard d’années avant d’être détectée par les interféromètres du monde entier et a modifié la trajectoire de la Terre de moins d’un millième de proton.
Avant d’être sûrs qu’il s’agissait bien d’une onde gravitationnelle, les physiciens ont dû analyser le signal perçu. Ce dernier avait une fréquence d’environ 100 hz soit une fréquence légèrement trop faible pour être audible par l’oreille humaine. Il a alors fallu modifier cette fréquence de 2 octaves pour pouvoir l’entendre et l’analyser. Une fois perceptible, il a fallu le comparer à différentes formes d’ondes afin de s’assurer qu’il ne s’agissait pas d’un signal parasite. En effet, le détecteur étant hypersensible, chaque mouvement à proximité de lui est détecté. C’est ainsi que l’étude a révélé que ce son ne pouvait provenir que de la collision entre 2 noirs.

 

Graphiques – Le 14 septembre 2015, tous les yeux étaient rivés sur ce signal. Il s’agit de la première manifestation concrète des ondes gravitationnelles sur Terre. (source : Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

De nouveaux horizons s’ouvrent à nous

Reste à présent à savoir pourquoi il est si intéressant de les observer. Les ondes gravitationnelles permettent d’étudier précisément la source qui les a engendrées. En effet, contrairement à la lumière, les informations transportées par les ondes gravitationnelles restent intactes lors de leur voyage à travers l’espace-temps.
Elles permettent également de « voir » des phénomènes jusqu’ici totalement invisibles car n’émettant pas de rayonnement électromagnétique, comme des collisions ou fusions de trous noirs.
Mais ce n’est pas tout, l’étude des ondes gravitationnelles pourrait permettre de remonter jusqu’à des évènements extrêmement lointains et fondamentaux pour comprendre la création et l’évolution de notre univers et notamment le Big Bang. Les scientifiques ont désormais pour ambition de détecter un jour des ondes émises par le « boum » initial.

Chloé Gac

 

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