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A peine une brise, mais elle secoue le monde entier

Pauline Gagnon, le 11 février 2016, 14h25

Aujourd'hui, les scientifiques du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ou LIGO ont fièrement annoncé avoir détecté les toutes premières ondes gravitationnelles. Décrites il y a exactement cent ans dans la Théorie de la Relativité Générale par Albert Einstein, ces ondes, qu’on a longtemps crues être beaucoup trop faibles pour être captées, ont enfin été détectées.

l'interféromètre LIGO
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l'interféromètre LIGO l'interféromètre LIGO le signal observé l'interféromètre LIGO

En 1916, Einstein décrit la gravitation comme une déformation de l’espace et du temps, comme si l’espace n'était qu’un tissu qui s’étire en présence d'objets massifs. Un espace vide serait semblable à un drap tendu. Un objet se déplaçant dans cet espace, comme par exemple une balle de ping-pong, suivrait simplement la surface du drap. Laissez tomber un objet lourd sur ce drap et le tissu sera déformé. La balle de ping-pong ne roulera plus en ligne droite, mais suivra naturellement la courbe de l'espace déformé.

En tombant sur le drap, l’objet lourd créera de petites ondulations qui se propageront autour de lui, comme des vaguelettes à la surface de l’eau. De même, le Big Bang ou une collision entre deux trous noirs peut aussi créer des ondulations qui atteindraient éventuellement la Terre.

C’est ce type d’ondulations que LIGO a enfin détectées, comme l'explique cette excellente vidéo (mais en anglais). Les scientifiques de LIGO ont utilisé un interféromètre, un appareil muni de deux branches identiques tel qu’indiqué sur l’image ci-dessous. Un laser (en bas à gauche) émet un faisceau de lumière qui vient frapper un morceau de verre (au centre). La moitié du faisceau est réfléchie, l’autre poursuit son chemin. Les deux faisceaux parcourent exactement la même distance (4 km) avant d’être réfléchis par un miroir.

Un faisceau de lumière, telle une vague à la surface de l'eau, possède des crêtes et des creux. Au retour, les deux faisceaux se chevauchent à nouveau, mais la longueur des branches est telle que la position des crêtes du premier faisceau est décalée par rapport à celle de l’autre, de telle sorte qu'ils se neutralisent. Par conséquent, un détecteur situé à droite ne décèlerait aucune lumière.

Imaginez maintenant qu'une vague gravitationnelle, produite par exemple par une collision entre deux trous noirs, se propage à travers l'interféromètre. Le « tissus » de l'espace serait étiré puis comprimé sous le passage de cette onde. La longueur des branches de l'interféromètre serait modifiée, décalant ainsi les crêtes et les creux. Les deux faisceaux ne s'annuleraient plus. Un détecteur détecterait une lumière oscillante durant le passage d’une onde gravitationnelle à travers l'appareil.

Le défi de cette expérience consiste à éliminer toutes sources de vibrations, qu’elles proviennent des vagues de l’océan, d’un tremblement de terre, ou même du trafic car elles produiraient des effets semblables. Les faisceaux laser voyagent donc dans des tuyaux à vide et les miroirs sont montés sur des ressorts et suspendus à de fins fils. On amortit ainsi les vibrations externes par un facteur de 10 milliards.

Pour s’assurer qu’un signal provient réellement d'une onde gravitationnelle et non pas d'une autre perturbation, LIGO utilisent deux interféromètres identiques et distants de plus de 3000 km. L’un se trouve en Louisiane, l’autre dans l'état de Washington.

Et voici ce signal, produit lors de la fusion de deux trous noirs d’environ 50 km mais trente fois plus massifs que le soleil. Cette collision a généré une onde gravitationnelle qui s’est propagé pendant un milliard d’années avant d’atteindre la Terre le 14 septembre dernier. L’onde a modifié la longueur des branches de l’interféromètre de 4 km d’à peine un millième de la taille d’un proton. Une petite oscillation durant seulement 20 millisecondes, accélérant rapidement puis disparaissant, exactement tel que prédit par les équations de la relativité générale.

Donc quand les deux instruments ont détecté simultanément ce signal, leur coïncidence n’a laissé aucun doute. Il ne pouvait s’agir que d’ondes gravitationnelles. LIGO n’a détecté que la partie classique de ces ondes. On ne sait toujours pas si les ondes gravitationnelles sont quantifiées ou pas, et si elles s’accompagnent d’une particule appelée le graviton.

Pendant des siècles, les astronomes ont utilisé des ondes électromagnétiques comme la lumière pour explorer l'Univers. Les ondes gravitationnelles fourniront un nouvel outil pour pousser l’exploration de l’Univers encore plus loin. Ce que ces ondes nous apprendrons vaudra bien d’avoir attendu cent longues années pour les découvrir.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels». Pour recevoir un avis lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution.