ONDES GRAVITATIONNELLES

Nobel : Qu'est-ce qu'une onde gravitationnelle ?

Par Azar Khalatbari et Erwan Lecomte le 03.10.2017 à 12h20, mis à jour le 03.10.2017 à 11h00

Après avoir été célébrés par la médaille d'or du CNRS en 2017, les travaux ayant permis la détection directe des ondes gravitationnelles sont récompensés d'un Nobel de physique. Mais de quoi s'agit-il au juste ?

La collision de deux trous noirs il y a des milliards d'années provoque l'émission d'ondes gravitationnelles encore perceptibles aujourd'hui.

SXS, THE SIMULATING EXTREME SPACETIMES (SXS) PROJECT

Le prix Nobel de Physique 2017 est attribué ce 3 octobre 2017 à Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne pour leurs contributions au détecteur LIGO qui a permis la détection directe des ondes gravitationnelles.

Imaginez un lac d'eau calme. Ce lac est notre univers. Mais soudain, deux trous noirs qui s'étaient petit à petit rapprochés l'un de l'autre finissent par entamer une danse mortelle avant de fusionner brutalement dans un formidable impact. Une collision si formidable qu'elle fait fait trembler l'espace et le temps. Comme si on avait soudain jeté une énorme pierre dans le lac, et provoqué une onde de vaguelettes filant à la surface de l'eau. L'hypothèse de l'existence de ce frisson spatial remonte aux premières décennies du 20e siècle. En 1915 précisément, époque où la relativité générale théorisée par Einstein bousculait notre compréhension du monde. Désormais, il fallait envisager l'espace, doté d'une élasticité et façonné par la matière, exactement comme si le contenu (planètes, étoiles et galaxies) courbaient le contenant, c'est-à-dire l'espace tout entier. Ainsi, nous dit Einstein, la forme de l'espace dépend de la matière qui s'y loge. De ce fait, toute accélération de masse devrait la changer et ceci se manifester par une vague qui parcourt le Cosmos tout entier. Le fameux caillou lancé dans un lac ! Sur son passage, cette onde dilaterait puis contracterait l'espace. C'est exactement ce qui se passe lorsque deux trous noirs entrent en collision. Une partie de l'énergie est alors dissipée sous la forme d'ondes qui font vibrer l'espace et le temps : les ondes gravitationnelles. C'est ce qu'explique très bien cette vidéo (dont une version BD existe en français) :

Ainsi, en théorie, tout objet qui se trouve sur le trajet d'une onde gravitationnelle voit sa longueur varier : tout se passe comme si l'espace entre les atomes de ses molécules se distendait puis se resserrait. Ce surprenant constat indiquant qu'au loin deux astres massifs se rapprochent l'un de l'autre pour rentrer en collision ou encore qu'une étoile explose, éjectant son enveloppe. 

Lors de la première détection directe, en 2016, l'onde avait été émise par deux trous noirs de masses respectives de 29 et 36 fois la masse du Soleil qui se sont rapprochés et ont fini par fusionner il y a 1,3 milliards d'années. La source se trouve donc à plus d'un milliard d'années lumière. La fusion a donné naissance à un gigantesque trou noir d'une masse finale de 62 masses solaires. Or, 29 + 36 sont sensés faire 65. Ce qui signifie que l'équivalent de 3 masses solaires a été expulsé sous forme d'ondes gravitationnelles. 

Et c'est cet évènement d'une grande intensité qui a provoqué cette vibration de l'espace-temps, titillant à son passage sur Terre les détecteurs LIGO et Virgo. Mieux encore, la source de ces ondes gravitationnelles se situerait dans l'hémisphère sud, une hypothèse permise grâce à la comparaison des temps d'arrivée des ondes gravitationnelles dans les deux détecteurs situés d'un bout à l'autre des Etats-Unis (7 millisecondes d'écart) et l'étude des caractéristiques des signaux mesurés par LIGO et Virgo. "Cette découverte nous ouvre un vaste champ de recherches", se félicite Benoît Mours, astrophysicien au laboratoire d'Annecy-le-Vieux. C'est même une "nouvelle astronomie" qui vient de voir le jour comme l'a relevé l'Académie des Sciences. En effet, sans un tel instrument, les chercheurs ne seraient jamais parvenu à détecter la fusion de ce duo de trous noirs. En prouvant leur efficacité, ces détecteurs d'ondes gravitationnelles fournissent donc un nouvel outil pour scruter et comprendre notre univers.