Comprendre les ondes gravitationnelles en trois questions
Un bien bel anniversaire pour les ondes gravitationnelles prédites par Albert Einstein en 1916! Cent ans après, des équipes internationales ont annoncé jeudi avoir une preuve directe de leur existence. Trois clefs pour comprendre.
Qu'est ce qu'une onde gravitationnelle ?
Une onde gravitationnelle est une infime ondulation de l'espace-temps qui se propage dans l'Univers à la vitesse de la lumière.
Ces ondes ont été conceptualisées en 1916 par Einstein, le célèbre physicien, dans la foulée de sa théorie de la relativité générale écrite en 1915. Einstein décrit la gravitation comme une déformation de l'espace. Les masses, comme le Soleil par exemple, courbent l'espace. Un peu à la manière de quelqu'un qui se trouverait sur un trampoline. Si les masses sont petites, la déformation est faible (un petit pois sur un trampoline, cela ne fait rien). Si les masses sont grandes, la déformation est importante (une personne sur un trampoline, cela déforme la toile). Si les masses bougent et connaissent une accélération, ces déformations vont se déplacer et se propager à travers l'espace, formant des ondes gravitationnelles.
On illustre souvent ces oscillations par l'image des rides qui se propagent à la surface d'un étang lorsqu'on vient de jeter une pierre dedans. Plus on est loin, plus la vague devient faible. Les ondes gravitationnelles que l'on recherche sont celles qui sont produites par des phénomènes astrophysiques violents comme la fusion de deux trous noirs ou encore l'explosion d'étoiles massives. Les autres sont trop infimes pour que l'on puisse espérer les observer. Mais elles nous entourent sans que nous en soyons conscients et sans conséquences pour nous.
Pourquoi est-il important d'être parvenu à détecter de façon directe ces ondes gravitationnelles ?
Leur détection fournit une validation directe d'une des prédictions d'Einstein. C'est un jour à marquer d'une pierre blanche chez les physiciens. Et ses principaux découvreurs peuvent caresser l'espoir de décrocher un prix Nobel assez rapidement.
Plus concrètement, "cela ouvre la voie à une nouvelle astronomie, 'l'astronomie gravitationnelle'", déclare Benoît Mours, directeur de recherche CNRS et responsable français de la collaboration Virgo qui a co-annoncé la première détection directe d'une onde gravitationnelle.
À côté des divers moyens électromagnétiques qui permettent d'observer le cosmos actuellement, les astrophysiciens vont disposer d'un nouvel outil pour observer les phénomènes violents dans l'Univers. La détection de ces ondes gravitationnelles va permettre de voir ce qui se passe "à l'intérieur", lors de la fusion de deux trous noirs par exemple, explique-t-il.
Pour chacun de nous, la mise en évidence des ondes gravitationnelles "ne va changer pas notre vie demain matin". Mais les avancées technologiques réalisées pour mettre au point les détecteurs d'ondes pourraient avoir des retombées in fine sur notre quotidien, souligne M. Mours.
Comment s'est organisée la traque des ondes gravitationnelles ?
Albert Einstein était conscient qu'il serait très difficile d'observer des ondes gravitationnelles. Pendant une cinquantaine d'années, il ne s'est pas passé grand chose. Puis, dans les années 1950, un physicien américain Joseph Weber s'est mis en tête de les débusquer en construisant les premiers détecteurs.
Entre-temps, des preuves indirectes de l'existence des ondes gravitationnelles ont été mises en évidence.
En 1974, l'observation d'un pulsar - une étoile à neutrons qui émet un rayonnement électromagnétique intense dans une direction donnée, comme un phare -, en orbite autour d'un autre astre, a permis de déduire que ces ondes existaient. Russell Hulse et Joseph Taylor ont reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour la découverte de ce pulsar.
Dans les années 1990, les États-Unis ont décidé de construire LIGO, un observatoire ambitieux composé de deux instruments géants, qui utilisent comme source lumineuse un laser infrarouge. L'un est en Louisiane, l'autre dans l'Etat de Washington. La France et l'Italie ont fait de même avec Virgo, bâti près de Pise.
En 2007, LIGO et Virgo ont décidé de travailler main dans la main, en échangeant leurs données en temps réel et en analysant ensemble les résultats. Ces dernières années, les instruments de LIGO ont fait l'objet d'importantes modifications qui ont nécessité leur arrêt. Le détecteur «avancé» LIGO a recommencé à fonctionner en septembre 2015. Et c'est lui qui a détecté le 14 septembre l'onde gravitationnelle GW150914. Virgo a subi le même type de transformations mais il n'a pas encore redémarré. Il devrait recommencer à fonctionner à l'automne.