Des ondes cataclysmiques?

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Les ondes gravitationnelles sont, un peu comme un caillou qui fait des vagues à la surface de l'eau, d'infimes ondulations dans l'espace-temps.

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(Québec) CHRONIQUE / «On vient de prouver l'existence des ondes gravitationnelles grâce à une perturbation générée par la collision de deux trous noirs situés à 1,2 milliard d'années-lumière. Mais si la collision s'était produite à, disons, 50 ou 100 années-lumière de la Terre, aurions-nous subi des dommages?» demande Denis Bastien, de Québec.

Effectivement, des ondes gravitationnelles, dont l'existence était prédite dans la théorie de la relativité d'Einstein, ont été détectées directement pour la toute première fois en février dernier. Contrairement à ce que l'on présumait jusqu'au début du XXe siècle, le temps et l'espace ne sont pas un tout fixe et à jamais inaltérable, mais peuvent être déformés. En fait, théoriquement, la gravité qu'exerce tout corps autour de lui, si petit soit-il, courbe l'espace-temps, ne serait-ce que de façon infinitésimale.

Mais en pratique, l'espace-temps demeure extrêmement rigide. Il ne se laisse pas déformer facilement - c'est d'ailleurs pour cette raison que les équations de la physique classique d'Isaac Newton collent généralement très bien à la réalité. Il faut des cas extrêmes, des masses et des densités vraiment colossales pour que l'espace-temps se torde suffisamment pour que cela fasse une différence notable. Et encore...

Ce qui a été annoncé en février est l'observation d'ondes gravitationnelles - en septembre 2015, mais il a fallu des mois pour s'assurer qu'il ne s'agissait pas d'une erreur - créées par la collision et la fusion de deux trous noirs dont la masse combinée équivalait à environ 65 fois celle du Soleil. Quand une telle chose se produit, les masses gigantesques et extraordinairement denses des trous noirs accélèrent subitement - ils orbitent l'un autour de l'autre de plus en plus vite et de plus en plus proche. Et une telle orgie de gravité est suffisante pour «déranger» l'espace-temps, un peu comme un caillou qui fait des vagues à la surface de l'eau, et générer d'infimes ondulations dans l'espace-temps : des ondes gravitationnelles.

Au passage de celles-ci, l'espace-temps se comprime dans un sens et s'allonge dans l'autre. Oh, presque rien. Les compressions/élongations étaient de l'ordre du millième de milliardième... de millimètre. Pour les détecter, il a fallu construire deux énormes observatoires identiques (sur les côtes est et ouest des États-Unis), le LIGO, qui sont essentiellement des tunnels de quatre kilomètres de long disposés en «L». On envoie des lasers dans chacun de ces longs corridors au bout desquels des miroirs les retournent vers leur point de départ, où ces signaux lumineux se croisent.

Comme le laser est de la lumière, on peut se le représenter comme une série de vagues, avec des «crêtes» et des «creux». Comme pour n'importe quelle autre onde, quand les crêtes s'alignent avec d'autres crêtes, les ondes s'additionnent, et quand elles s'alignent avec des creux, les ondes s'annulent. Ces alignements sont faits, dans les détecteurs comme le LIGO, avec une précision extrême et le moindre changement va jouer sur la puissance du laser qui est reçue et mesurée par les expérimentateurs. Et l'idée, ici, est que même si les ondes gravitationnelles sont des ondulations infinitésimales, elles ne déformeront pas les bras de LIGO de la même manière en même temps - parce qu'ils sont très longs. Cela va alors désaligner (subtilement, mais quand même) les lasers, et c'est ainsi que l'on a «vu» les ondes gravitationnelles passer, l'automne dernier.

Maintenant, que se serait-il passé si la même collision de trous noirs s'était produite à 100 années-lumière plutôt qu'à 1,2 milliard? Pas grand-chose, répond en substance Julie Hlavacek-Larrondo, physicienne de l'Université de Montréal et titulaire de la Chaire en astrophysique observationnelle des trous noirs.

Certes, les déformations auraient été beaucoup plus fortes : contrairement à la lumière et aux sons, dont l'amplitude décroît avec le carré de la distance, les ondes gravitationnelles, elles, perdent de leur «force» simplement avec la distance. «C'est contre-intuitif,mais il faut se rappeler que [contrairement à la lumière et aux sons qui se propagent à la surface d'une sphère] les ondes gravitationnelles s'inscrivent dans un espace à quatre dimensions [soit la 3D «normale» plus le temps]. Alors nos façons de se représenter les choses ne fonctionnent plus du tout. [...] Mais en gros, pour comprendre comment ça marche, il faut des pages et des pages d'équations et, au bout du calcul, tu vois bien pourquoi», dit Mme Hlavacek-Larrondo.

Alors on va la croire sur parole...

En ce qui concerne la question de notre lecteur, cela signifie que les ondes gravitationnelles auraient été 1,2 milliard ÷ 100 = 12 millions de fois plus fortes si les trous noirs avaient fusionnés à 100 années-lumière d'ici. Cela peut sembler cataclysmique, mais il faut se rappeler que «l'événement à 1,2 milliard d'années-lumière a provoqué un changement dans l'espace-temps à l'échelle d'un noyau atomique, c'est-à-dire environ 10-15 mètres, explique la physicienne. Si [le signal avait été 12 millions de fois plus fort], il aurait provoqué des variations de l'espace-temps de l'ordre du 10-8 mètres, ce qui est donc quand même très, très petit».

Pour avoir des déformations de l'ordre du mètre, calcule-t-elle, les trous noirs devraient être à l'intérieur du système solaire, possiblement en deçà de l'orbite de Jupiter - auquel cas les ondes gravitationnelles seraient le dernier de nos soucis, puisque les trous noirs détruiraient à coup sûr tout le système, Soleil compris.«On

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