Les ondes gravitationnelles prédites par Einstein détectées

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«Ce qui est vraiment excitant, c'est ce qui s'en vient. Il y a 400 ans, Galilée a révolutionné l'astronomie en pointant un télescope vers le ciel, et je crois que c'est un moment comme celui-là que nous vivons», a déclaré David Reitze, directeur général du laboratoire LIGO.

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(Québec) «Mesdames, Messieurs, nous avons détecté des ondes gravitationnelles. Nous avons réussi!»

David Reitze, directeur général du laboratoire LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory), ne cachait pas son enthousiasme, jeudi matin, lors d'une conférence de presse tenue à Washington pour annoncer que des «ondes gravitationnelles» avaient été détectées pour la toute première fois. Cela faisait plus de 100 ans que ces ondes avaient été prédites en 1915 par le physicien Albert Einstein (et même 110 ans, puisque plusieurs en attribuent la paternité au grand mathématicien français Henri Poincaré, en 1905), mais on n'était jamais parvenu à prouver leur existence empiriquement.

Et cette découverte pourrait, à terme, mener à de véritables trésors scientifiques. «Ce qui est vraiment excitant, c'est ce qui s'en vient. Il y a 400 ans, Galilée a révolutionné l'astronomie en pointant un télescope vers le ciel, et je crois que c'est un moment comme celui-là que nous vivons», a déclaré M. Reitze. 

Un peu comme un caillou qui fait des vagues à la surface de l'eau, les ondes gravitationnelles sont créées quand on «dérange» le champ gravitationnel en faisant accélérer des masses. Cela introduit d'infimes ondulations dans l'espace-temps, c'est-à-dire que l'espace (et tout ce qui se trouve dedans) est légèrement déformé par le passage de ces ondes : il est allongé dans un sens et comprimé dans un autre sens.

Mais voilà, des quatre forces fondamentales de la physique, la gravité est (de très loin) la plus faible, si bien qu'il faut des masses gigantesques et des accélérations inouïes pour produire des déformations infinitésimales.

Ce que le LIGO est parvenu à détecter, ce sont les ondes créées par une des plus grosses débauches de gravité qui puisse possiblement s'imaginer, soit deux trous noirs orbitant l'un autour de l'autre et qui ont fini par se heurter. «Chacun de ces trous noirs faisait environ 50 kilomètres de diamètre, mais avait autour de 30 fois la masse du Soleil et filait à environ la moitié de la vitesse de la lumière [ce qui fait quand même 150 000 kilomètres par seconde, NDLR]», dit M. Reitze.

Détectées au laser

Au total, ces deux trous noirs «pesaient» 65 masses solaires, mais une fois fusionnés, ils n'en faisaient plus que 62, ayant converti l'équivalent de 3 Soleil en ondes gravitationnelles - le tout en seulement 0,2 seconde.

Mais malgré ce cataclysme, les ondulations de l'espace-temps induites sur Terre furent de l'ordre du millionième de milliardième de millimètre. Pour détecter des déformations aussi minces, le LIGO (constitué de deux labos identiques sur les côtes est et ouest des États-Unis) envoie des lasers dans deux grands tunnels de quatre kilomètres de long disposés en «L». Au bout de ces tunnels se trouvent des miroirs qui font revenir les faisceaux sur leurs pas, si bien que les deux lasers finissent par se croiser.

Or voilà, ces lasers sont des ondes lumineuses, et s'apparentent donc à des vagues, avec des «crêtes» et des «creux». Bref, on est capable d'aligner les crêtes ensemble de manière très précise et de mesurer de manière tout aussi précise si cet alignement s'est maintenu. La plupart du temps, c'est le cas, mais comme les bras de LIGO sont très longs, des ondes gravitationnelles fortes ne les déforment pas de la même manière en même temps, ce qui va désaligner (très légèrement) les crêtes des ondes lumineuses. À grands traits, c'est de cette manière que LIGO a «vu» les ondes gravitationnelles.

«Ils ont vraiment fait un travail extraordinaire pour contrôler toutes les sources de bruit [NDLR : nécessairement très nombreuses pour un instrument aussi sensible]», dit le physicien de l'Université Laval Serge Pineault. «Je trouve ça encore plus convaincant que la découverte du boson de Higgs. Pour le boson, les chercheurs avaient obtenu cinq sigmas [une mesure de certitude statistique, cinq sigmas signifiant grosso modo que le phénomène observé a une chance sur un million d'être le produit du hasard, NDLR]. Aujourd'hui, les deux instruments de LIGO ont atteint cinq sigmas séparément!»

Albert Einstein, format réduit, a énoncé sa théorie... (Agence France-Presse, Thomas Coex) - image 2.0

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Albert Einstein, format réduit, a énoncé sa théorie en 1915.

Agence France-Presse, Thomas Coex

Vous avez dit «nouvelle fenêtre»?

Depuis l'annonce de jeudi matin, on entend dire que le fait de pouvoir détecter des ondes gravitationnelles ouvrira une «nouvelle fenêtre» sur l'Univers, permettra de l'observer de manière inédite. Pour bien comprendre ce que les physiciens entendent par là, voici quelques exemples de ces «fenêtres» qui s'ouvrent quand on découvre une nouvelle façon de regarder les cieux.

1965

Deux ingénieurs des Laboratoires Bell prennent des mesures de rayonnement micro-onde ambiant afin de calibrer des appareils qui n'ont rien à voir avec l'astronomie. «Ils se sont rendu compte qu'il y avait un bruit de fond présent dans toutes les directions, et ils ne pouvaient pas l'expliquer», dit le physicien de l'Université Laval Serge Pineault.

«Avant cela, d'autres gens avaient constaté que la plupart des galaxies s'éloignent les unes des autres, et avaient suggéré que l'Univers pouvait avoir été plus dense et plus chaud.» Le fond de rayonnement mesuré par les ingénieurs de Bell en était le vestige et la preuve de ce qu'on appelle aujourd'hui le Big Bang.

Les ondes radio

On sait depuis les années 30 que les astres émettent des ondes radio, mais le déploiement de grands radiotélescopes a permis de découvrir que les galaxies éjectent souvent d'immenses quantités de matière. De là, relate M. Pineault, «on s'est dit qu'il devait y avoir quelque chose au centre des galaxies qui produit énormément d'énergie».

C'est ce qui a permis de déduire que la plupart des galaxies ont, en leur centre, des trous noirs supermassifs équivalant à plusieurs millions ou milliards de fois notre Soleil.

Les rayons X

«Au départ, dit M. Pineault, les rayons X devaient nous permettre d'étudier les étoiles chaudes. Mais au lieu de ça, on a trouvé d'autres émetteurs de rayons X dont on ne soupçonnait pas l'existence les naines blanches et les étoiles à neutrons [soit des objets extrêmement denses, NDLR].»

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