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    Science

    Une onde gravitationnelle détectée pour la première fois

    media Image d'artiste représentant les ondes gravitationnelles générées par la collision d'étoiles à neutrons ou trous noirs. R. Hurt/Caltech-JPL

    Albert Einstein les avait prédites il y a tout juste cent ans, une d’entre elles vient d’être observée pour la première fois. Les ondes gravitationnelles existent donc bel et bien. C’est une équipe internationale de chercheurs qui en fait l’annonce, jeudi 11 février 2016. Une découverte qui ouvre une nouvelle page dans l’étude de l’Univers.

    La rumeur enflait depuis plusieurs semaines, c’est donc confirmé, et c’est une secousse dans le monde de l’astrophysique. Le détecteur américain Ligo (Laser Interferometer Gravitationnal-wave Observatory) a capté un signal le 14 septembre 2015 à 16h51 TU. Un signal qui vient de loin, 1,3 milliard d’années-lumière soit 13 milliards de milliards de kilomètres de nous.

    « Le signal était tellement beau, tellement clair, qu’on s’est demandé s’il ne s’agissait pas d’un test, se souvient l’astrophysicien Benoît Mours. Quand on s’est rendu compte qu’il venait effectivement de l’Univers très lointain, c’était l’excitation totale. » Pour cause, il s’agit d’une onde gravitationnelle qui a trahi la fusion de deux trous noirs en seul plus gros.

    Cette découverte est en fait une double première : pour la première fois, les scientifiques disposent d’une preuve que les trous noirs existent bel et bien alors que ce n’était jusqu’à présent que fortement supposé, et elle confirme une prédiction d’Albert Einstein réalisée il y a tout juste un siècle.

    Nous sommes en 1916, cela fait un an que l’article présentant la relativité générale a été publié. Celui-ci a été un énorme choc : il postulait que l’espace et le temps sont non seulement liés entre eux, mais sont en plus dynamiques. Les objets massifs présents dans l’Univers perturbent et déforment la forme même de l’espace : il se courbe autour d’eux.

    Vue d’artiste représentant la déformation de l’espace-temps au voisinage d’un astre massif SXS/LIGO/CALTECH

    En conséquence de quoi, les rayons lumineux, par exemple, sont détournés au voisinage d’un tel astre, ils ne voyagent plus en ligne droite, mais suivent une courbe. C’est dans cet espace-temps dynamique que se propagent ces ondes gravitationnelles, qui vont compresser et dilater les distances sur leur passage.

    Einstein les avait envisagées en 1916 en conséquence de la relativité générale. « La première détection de ces ondes, c’est comparable à Galilée qui pour la première fois utilise un télescope pour regarder le ciel », s’enthousiasme David Reitze, le responsable scientifique de Ligo. Pour comprendre un tel enthousiasme, il faut se rappeler que jusqu’à présent les scientifiques ne disposaient que d’un outil pour étudier l’Univers : la lumière. Des rayons gamma aux rayons X en passant par la lumière visible, c’était en effet le seul moyen de sonder le cosmos. Avec les ondes gravitationnelles, on a accès à l’invisible : on peut désormais « sentir » les vibrations de l’Univers. Des vibrations qui se produisent lors d’événements extrêmes comme l’explosion d’une étoile en supernova, la collision d’étoiles à neutrons, ou la fusion de deux trous noirs.

    L’effet, énormément amplifié, du passage d’une onde gravitationnelle sur la Terre.

    C’est ce qu’il s’est passé il y a 1,3 milliard d’années, quelque part dans le ciel de l’hémisphère sud. Deux trous noirs respectivement 29 et 36 fois plus lourds que le Soleil se tournaient autour, jusqu’à se rencontrer pour ne former plus qu’un. Un événement cataclysmique qui a perturbé l’espace lui-même, créant un flot d’ondes gravitationnelles qui nous sont donc parvenues le 14 septembre dernier après un long voyage. C’est en étudiant ces ondes que l’on a pu remonter le fil de l’histoire pour comprendre ce qui a pu les produire.

    Simulation numérique d’une fusion de deux trous noirs, réalisée à partir de l’analyse de l’onde gravitationnelle détectée.

    Mais encore fallait-il les capter. Il a pour cela fallu construire un réseau mondial de détecteurs : des interféromètres laser. Le principe est assez simple. On envoie un laser, qui est séparé en deux branches par un miroir vers deux tunnels perpendiculaires longs de plusieurs kilomètres. Les deux faisceaux font plusieurs allers-retours avant d’être recentrés vers un capteur.

    En temps normal, les deux faisceaux arrivent donc de manière synchronisée. Mais le passage d’une onde gravitationnelle va déformer les bras de l’appareil, et à leur arrivée, les deux faisceaux ne sont plus synchrones. C’est le signal qu’attendent les chercheurs. Mais c’est un exercice qui a été très compliqué à réaliser techniquement. Le passage de l’onde gravitationnelle a déformé les bras de Ligo de seulement un dix millième de la taille d’un atome … soit 0, 0000 (21 zéros au total) 1 centimètre. C’est peu, mais suffisant pour être repéré.

    Les détecteurs terrestres limités

    La suite consistera à capter des signaux de plus en plus nombreux. Virgo, l’homologue européen de Ligo est en train d’être amélioré et reprendra du service à l’automne. En attendant, il se murmure que les équipes américaines ont déjà récolté de nouveaux signaux depuis septembre dernier.

    Cependant, les détecteurs terrestres de ce type sont limités. Toutes proportions gardées, ils ne peuvent que détecter des ondes gravitationnelles issues de corps relativement petits et proches. Les « vagues » de l’espace-temps produites par des trous noirs super-massifs par exemple, resteront invisibles : les crêtes des ondes produites par ces monstres sont en effet trop éloignées et il faut des bras de détecteurs plus grands pour les repérer.

    Pour y remédier, il y a notamment un projet spatial à l’étude aujourd’hui, Elisa. Il s’agit de trois satellites envoyés dans l’espace, pour former un détecteur géant avec des bras longs d’un million de kilomètres. Le lancement est prévu pour la fin des années 2020, mais l’Agence spatiale européenne (Esa) a mis en orbite en décembre dernier Lisa Pathfinder, qui est destiné à tester les technologies dont aura besoin Elisa.

    L’astronomie gravitationnelle est donc officiellement née le 11 février 2016, nul doute qu’elle apportera son lot de surprises dans les mois et les années à venir, tant il a été impossible jusqu’à présent d’étudier directement les trous noirs, les étoiles à neutrons et autres. Une quête qui ne fait que commencer, avec un objectif en ligne de mire : la découverte de l’onde gravitationnelle primordiale, celle qui a été émise juste après le Big Bang lui-même. La détecter permettra de faire un bond de géant dans la connaissance de nos origines.

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