Les ondes gravitationnelles

Depuis l’Antiquité, l’astronomie observait l’Univers avec la lumière, puis avec tout le spectre électromagnétique. Depuis 2015, elle dispose d’un nouveau « sens » : elle peut écouter les vibrations de l’espace-temps lui-même, produites par les événements les plus violents du cosmos, comme la collision de deux trous noirs. Cette détection, cent ans après la prédiction d’Einstein, a ouvert l’astronomie gravitationnelle.

Une prédiction de la relativité générale

Selon la relativité générale (1915), la gravitation n’est pas une force à distance mais une courbure de l’espace-temps produite par la masse et l’énergie (voir relativité d’Einstein). En 1916, Einstein montre que cette courbure peut se propager sous forme d’ondes, comme les ondes électromagnétiques produites par des charges accélérées.

Il doute cependant de leur réalité physique et estime qu’elles seraient de toute façon trop faibles pour être jamais mesurées. Le débat sur leur existence se poursuit jusqu’aux années 1950-1960.

Une déformation infime

Une onde gravitationnelle étire et comprime l’espace dans des directions perpendiculaires. Son amplitude se mesure par la déformation relative h, rapport entre la variation de longueur et la longueur. Pour les sources détectées, h est de l’ordre de 10⁻²¹ : un objet de 4 km varie de longueur de quelques millièmes de la taille d’un proton.

Pourquoi si faible ? L’espace-temps est extrêmement « rigide » : seules des masses énormes, accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière, produisent des ondes mesurables, et elles sont émises à des milliards d’années-lumière.

La preuve indirecte : le pulsar binaire

En 1974, Russell Hulse et Joseph Taylor découvrent un pulsar en orbite autour d’une autre étoile à neutrons. Pendant des années, ils mesurent que l’orbite rétrécit lentement, exactement au rythme prévu si le système perd de l’énergie en émettant des ondes gravitationnelles. C’est la première preuve, indirecte, de leur existence. Ils reçoivent le prix Nobel de physique en 1993.

Les détecteurs : des interféromètres géants

Les détecteurs LIGO (deux instruments aux États-Unis, à Hanford et Livingston), Virgo (près de Pise, en Italie, porté notamment par la France et l’Italie) et KAGRA (Japon) sont des interféromètres de Michelson géants.

1. Un faisceau laser est divisé en deux et envoyé dans deux bras perpendiculaires de 3 à 4 km, sous vide.
2. Au bout de chaque bras, un miroir suspendu le renvoie ; la lumière fait de nombreux allers-retours.
3. Les deux faisceaux sont recombinés et interfèrent (voir interférences et diffraction). Au repos, ils sont réglés pour s’annuler.
4. Une onde gravitationnelle allonge un bras et raccourcit l’autre : l’interférence change et un signal apparaît.

Ces instruments mesurent des variations de longueur de l’ordre de 10⁻¹⁹ m, ce qui exige d’isoler les miroirs des vibrations sismiques, du bruit thermique et même des fluctuations quantiques de la lumière. Plusieurs détecteurs éloignés sont nécessaires pour écarter les signaux parasites locaux et localiser la source dans le ciel.

La première détection : GW150914

Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs LIGO enregistrent à 7 millisecondes d’écart un signal caractéristique : une oscillation dont la fréquence et l’amplitude croissent rapidement pendant une fraction de seconde, avant de s’éteindre. Converti en son, il ressemble à un « gazouillis » (chirp).

L’énergie émise, convertie selon E = mc², dépassait pendant un bref instant la puissance lumineuse de toutes les étoiles de l’Univers observable réunies. Le prix Nobel de physique 2017 est attribué à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne pour leur rôle décisif dans LIGO.

Les découvertes depuis 2015

Plusieurs centaines de détections ont été enregistrées depuis 2015, au fil des campagnes d’observation successives.

Ce qu’elles nous apprennent

• l’existence et la masse des trous noirs binaires, invisibles autrement ;
• l’origine d’une partie des éléments lourds de l’Univers ;
• une mesure indépendante du taux d’expansion de l’Univers (voir expansion de l’Univers) ;
• des tests de la relativité générale en champ gravitationnel extrême, tous réussis à ce jour ;
• à terme, peut-être, des signaux des tout premiers instants après le Big Bang.

Les projets futurs

Le détecteur spatial LISA, mission de l’Agence spatiale européenne adoptée en 2024 avec un lancement envisagé vers le milieu des années 2030, sera formé de trois satellites distants de 2,5 millions de kilomètres. Il captera des ondes de plus basse fréquence, émises notamment par la fusion de trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Des détecteurs terrestres de nouvelle génération, comme l’Einstein Telescope en Europe, sont à l’étude.

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle en termes simples ?

C’est une vibration de l’espace-temps lui-même, créée par des masses énormes en mouvement rapide, comme deux trous noirs qui tournent l’un autour de l’autre puis fusionnent. Elle étire et comprime légèrement les distances à son passage.

Quand les ondes gravitationnelles ont-elles été détectées ?

Pour la première fois le 14 septembre 2015, par les deux détecteurs américains LIGO. La découverte a été annoncée le 11 février 2016.

Peut-on sentir une onde gravitationnelle ?

Non. Les ondes qui arrivent sur Terre déforment les distances d’environ un millième de milliardième de milliardième : il faut des instruments d’une sensibilité extrême pour les détecter.

À quelle vitesse vont les ondes gravitationnelles ?

À la vitesse de la lumière, comme le prévoit la relativité générale. L’observation de 2017, où ondes gravitationnelles et rayons gamma sont arrivés à moins de deux secondes d’écart après 130 millions d’années de voyage, l’a confirmé.