Ondes gravitationnelles : Einstein avait raison !

Le 11 février 2016, des chercheurs américains et européens ont révélé avoir détecté des ondes gravitationnelles.  Cette découverte est d’une importance capitale dans l’histoire de la physique et de l’astronomie. Elle ouvre en effet un regard neuf sur l’Univers, qui va nous apparaître autrement : les chercheurs la comparent même à Galilée, qui en 1609 utilise la lunette d’approche pour observer le ciel, et découvre des objets célestes inconnus jusque-là.

Qu’est-ce que les ondes gravitationnelles ?

Les ondes gravitationnelles, qu’Albert Einstein prédit en 1915 dans sa "Théorie de la relativité générale", sont produites par les mouvements d’objets massifs dans l’Univers (comme les étoiles à neutron ou les trous noirs), et se déplacent à la vitesse de la lumière (soit 300 000 km/s). Einstein qui a décrit la gravitation comme une déformation de l'espace-temps, disait que l’espace est un milieu élastique, comme de la gelée qui vibre si on l’agite.

Lorsque de gigantesques objets célestes bougent et s’accélèrent, ils déforment l’espace et provoquent des ondes, comme lorsqu’un objet tombe dans l’eau et crée une perturbation qui se propage sous la forme d’une série de vagues, qui faiblissent en s’éloignant de l’impact.

L’existence de ces ondes, qui n’avaient  jamais été observées, a longtemps été mise en doute. Depuis 26 ans, des chercheurs tentaient de les détecter. Le 14 septembre 2015, elles ont été captées par des chercheurs américains de l’observatoire LIGO, qui travaillent en lien avec des chercheurs européens sur l’analyse des données.

Comment a-t-on détecté ces ondes gravitationnelles ?

L’instrument géant qui a permis de les détecter est un interféromètre. Ce dernier est fait de deux tunnels perpendiculaires de 4 km dans lesquels deux faisceaux laser synchronisés effectuent des dizaines d’allers retours entre des miroirs. On sait qu’une onde gravitationnelle a secoué l’espace-temps et s’est propagée jusqu’à nous, parce qu’un des trajets lumineux est arrivé avant l’autre et a désynchronisé les lasers de l’interféromètre.

Les signaux reçus par les interféromètres montrent que la fréquence d’oscillation et l’amplitude de l’onde augmentent pendant un temps, puis que tout se calme. L’évolution de la fréquence permet de mesurer la masse des objets en mouvement. Leur distance est mesurée avec l’amplitude de l’onde.

Les détecteurs LIGO ont ainsi observé un signal provenant de la collision puis de la fusion de deux trous noirs, de 29 et 36 masses solaires, situés à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. La masse finale des deux trous noirs réunis est de 62 fois celle du Soleil et non de 65, car lors de la collision, ces trois masses solaires (qui représentent une quantité d’énergie colossale) ont été converties en ondes gravitationnelles.  Les chercheurs nous disent que pendant les 200 millisecondes du signal, cette source a émis autant d’énergie que toutes les étoiles de l’Univers !

La détection de ces ondes apporte deux preuves scientifiques

On savait que cette "gelée espace-temps" pouvait être tordue, déformée par la présence de matière mais c’est la première fois que l’on voit les ondes de déformation passer sur la Terre. Cette observation confirme ainsi la théorie d’Einstein de la gravitation comme une déformation de l'espace-temps.

C’est aussi la première fois qu’on a une preuve directe de l’existence de trous noirs, et surtout que deux trous noirs peuvent fusionner. Les chercheurs ont vu « respirer » deux trous noirs qui sont comme des surfaces  d’où aucune lumière ni matière ne peuvent s’échapper. Cette détection apporte la preuve que deux trous noirs peuvent fusionner, comme si deux bulles de savon s’étaient réunies pour n’en faire plus qu’une, deux fois plus grosse.

Un trou noir est une région de l'espace où la force de gravité est si forte que la lumière ne peut échapper. Cette très forte gravité se produit parce que la matière a été comprimée dans un espace minuscule. Ce phénomène peut avoir lieu à la fin de la vie d'une étoile. Certains trous noirs sont le résultat d’étoiles mortes.

Et demain ?

Dans un futur proche, un interféromètre spatial permettra d’obtenir des ondes plus grandes et de détecter des trous noirs beaucoup plus massifs. Aujourd’hui, avec les instruments dont on dispose au sol, seuls les trous noirs de masse stellaire peuvent être détectés. Demain, on va pouvoir trouver des trous noirs super-massifs et accéder à la formation des galaxies, au fusionnement de trous noirs à l’intérieur des galaxies…

Le professeur Pierre Binétruy, responsable français de la mission LISA de recherche d’ondes gravitationnelles, déclare que « nous verrons enfin des choses jamais vues parce qu’elles n’émettent pas de lumière ». C’est le début d’une nouvelle astronomie, l’entrée d’une astronomie gravitationnelle. Ce véritable exploit présage de grosses surprises dans les années futures : on va sans doute découvrir des objets bizarres !

Pour aller plus loin…

Un article du Radis vert, rédigé à partir des sources suivantes :

Franceinter. fr ; lemonde.fr ; francetvinfo.fr ; telerama.fr ; astrosurf.com ; franceculture.fr ; wikipedia.org