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