Ondes gravitationnelles : une nouvelle ère pour l’astronomie

En 2015, des sci­en­tifiques ont pu observ­er directe­ment et pour la toute pre­mière fois des ondes grav­i­ta­tion­nelles, grâce à l’observatoire LIGO situé aux États-Unis. Cet évène­ment est sans aucun doute l’une des plus grandes décou­vertes sci­en­tifiques de la décen­nie – voire du siè­cle. Six ans après, que peut-on dire des ondes grav­i­ta­tion­nelles, et pourquoi les étudi­er est-il si important ?

Les ondes grav­i­ta­tion­nelles (OG), prédites par Albert Ein­stein en 1916, con­stituent une toute nou­velle façon d’ob­serv­er l’u­nivers. Avant leur détec­tion, les astronomes ne pou­vaient observ­er le ciel qu’à l’aide de la lumière vis­i­ble ou d’autres types de ray­on­nements élec­tro­mag­né­tiques (comme les rayons infrarouges, ultra­vi­o­lets et gamma). 

Alors que la lumière est la prop­a­ga­tion de champs élec­tro­mag­né­tiques vibrant dans l’e­space et le temps, les OG sont com­plète­ment dif­férentes : elles sont des ondu­la­tions dans le tis­su même de l’e­space-temps. Elles peu­vent donc être émis­es par un objet non lumineux.

Créer des ondu­la­tions dans le tis­su (plutôt rigide) de l’e­space-temps est loin d’être chose facile. En effet, les OG ne peu­vent être pro­duites qu’en accélérant de très petits et très mas­sifs objets à une vitesse proche de celle de la lumière. Les meilleurs can­di­dats sont donc les trous noirs (qui sont les objets les plus com­pacts de l’u­nivers), et cer­taines étoiles très dens­es, appelées étoiles à neu­trons (des astres très com­pacts de 1,4 et 2,4 mass­es solaires pour un diamètre inférieur à 20 km quand celui du soleil mesure 1,39 mil­lion de km).

En général, un trou noir isolé ne génère pas d’ondes grav­i­ta­tion­nelles. Il a besoin d’un com­pagnon auquel il reste lié pen­dant une longue péri­ode (un peu comme la Terre et la Lune) pour for­mer ce que l’on appelle un « sys­tème binaire ». En rai­son de leur extrême den­sité, ils défor­ment l’e­space-temps autour d’eux lorsqu’ils se dépla­cent, créant des ondu­la­tions qui se propa­gent à tra­vers l’u­nivers à la vitesse de la lumière : ce sont les OG.

En émet­tant ces ondes, le sys­tème binaire perd une par­tie de l’én­ergie qui lie les trous noirs entre eux, qui ne cessent de se rap­procher au cours du temps tout en spi­ralant. Cette valse infer­nale pro­duit des OG de plus en plus intens­es (qui peu­vent par­courir des mil­liards d’an­nées-lumière à tra­vers l’u­nivers), jusqu’à ce que les trous noirs finis­sent par fusion­ner. De temps en temps, l’un de ces sys­tèmes binaires émet des ondes qui atteignent la Terre, avec une ampli­tude juste assez grande pour y être détec­tée, même si le sig­nal est tout de même extrême­ment faible.

Le pre­mier sig­nal d’une telle coa­les­cence (qui s’est déroulée à 1,3 mil­liard d’années-lumière de la Terre) a été détec­té en sep­tem­bre 2015 par l’instrument LIGO (Laser Inter­fer­om­e­ter Grav­i­ta­tion­al-Wave Obser­va­to­ry)¹². La coa­les­cence com­prend la phase de « spi­rale­ment » (lorsque les trous noirs se rap­prochent), la fusion (lorsqu’ils se « touchent » pour n’en créer qu’un) et la « relax­ation » (lorsque le nou­veau gros trou noir se stabilise). 

D’environ 36 et 29 mass­es solaires, les deux trous noirs en ques­tion avaient fini par fusion­ner pour for­mer un seul trou noir de 62 mass­es solaires. Les 3 mass­es solaires « per­dues » ont été com­plète­ment con­ver­ties en énergie grav­i­ta­tion­nelle emportée par les OG. 

LIGO est un pro­jet col­lab­o­ratif regroupant plus de 1000 chercheurs et ingénieurs dans plus de 20 pays, et qui a valu à trois de ses mem­bres de recevoir le prix Nobel de physique 2017³. Après 50 années de recherch­es néces­saires pour con­stru­ire ce détecteur, ils ont annon­cé en juin 2016 avoir observé une deux­ième coa­les­cence de trous noirs ⁴. Cette obser­va­tion a été faite le 26 décem­bre 2015, et cette fois, les trous noirs se trou­vaient à 1,4 mil­liard d’an­nées-lumière de la Terre. Depuis, env­i­ron 50 évène­ments de coa­les­cence ont été détec­tés. Toutes ces décou­vertes ont fait avancer beau­coup de domaines de recherche, sig­nant l’acte de nais­sance de l’« astronomie gravitationnelle ».

LIGO et ses sem­blables, Vir­go en Ital­ie et Kagra au Japon, s’ap­puient sur une tech­nolo­gie de détec­tion avancée appelée « inter­férométrie laser ». Cette tech­nique est util­isée depuis longtemps pour détecter des sig­naux faibles, mais jusqu’alors, elle n’avait jamais été poussée à la lim­ite néces­saire pour détecter les sig­naux infimes des OG.

L’interféromètre LIGO fonc­tionne essen­tielle­ment en envoy­ant des fais­ceaux laser jumeaux dans deux « bras » de 4 km de long dis­posés en forme de L et main­tenus dans un vide qua­si-par­fait. Les fais­ceaux sont réfléchis par des miroirs placés avec pré­ci­sion aux extrémités de chaque bras. Lorsqu’une OG tra­verse l’ob­ser­va­toire, elle provoque des dis­tor­sions extrême­ment faibles sur la dis­tance par­cou­rue par chaque fais­ceau laser. L’instrument mesure ain­si l’effet de con­trac­tion-dila­tion de l’espace-temps pro­duit par l’OG.

L’appareil étant extrême­ment sen­si­ble, il est soumis à toutes sortes de vibra­tions externes (avions qui passent, vagues qui s’échouent sur un rivage dis­tant, etc). En con­séquence, les tech­ni­ciens ont dû con­cevoir de nom­breux et ingénieux sys­tèmes qui per­me­t­tent une pré­ci­sion suff­isante pour les détec­tions, mais aus­si pour pou­voir dif­férenci­er les arte­facts ter­restres des pré­cieux sig­naux d’OG.

En mesurant le temps que des fais­ceaux laser met­tent pour par­courir un bras, les chercheurs peu­vent extraire du sig­nal des infor­ma­tions sur l’onde telles que sa fréquence et son ampli­tude. Ces quan­tités sont d’une impor­tance cap­i­tale, car elles enco­dent des infor­ma­tions clés sur la source de l’onde, comme sa dis­tance à la Terre et sa posi­tion dans le ciel, ain­si que sa masse et sa nature (trou noir ou étoile à neutrons).

Les car­ac­téris­tiques des inter­féromètres ter­restres (comme LIGO) les ren­dent sen­si­bles seule­ment à une cer­taine bande de fréquence d’OG, de 10 Hz à 10 kHz env­i­ron, ce qui cor­re­spond aux trous noirs de 10 à 100 mass­es solaires.

Pour élargir cette gamme de fréquence, le pro­jet futur le plus promet­teur est le Laser Inter­fer­om­e­ter Space Anten­na (LISA)⁵. Cet obser­va­toire spa­tial européen, qui devrait être opéra­tionnel en 2034, ciblera des plus bass­es fréquences (mil­li­hertz) pour détecter des ondes provenant de la coa­les­cence de trous noirs beau­coup plus gros. Appelés « super­mas­sifs », ces objets se trou­vent au cen­tre de la plu­part des galax­ies (y com­pris notre Voie Lac­tée) et ont une masse de quelques mil­lions à quelques mil­liards de fois celle du Soleil.

LISA pour­ra égale­ment observ­er des cou­ples « asymétriques », comme une étoile à neu­trons orbi­tant un trou noir super­mas­sif, mais aus­si les ondes grav­i­ta­tion­nelles pri­mor­diales, très impor­tante pour la cos­molo­gie, car générées juste après le Big Bang⁶⁷. Doté d’une pré­ci­sion net­te­ment supérieure à ses cousins ter­restres, LISA sera un instru­ment de plusieurs mil­lions de kilo­mètres de long, com­posé de trois petits robots posi­tion­nés en tri­an­gle équilatéral en orbite solaire, juste der­rière la Terre.