Une onde gravitationnelle, qu’est-ce que c’est ?
Des trous noirs qui se tournent autour et atteignent une vitesse proche de celle de la lumière avant de fusionner, des étoiles à neutrons qui dansent l’une autour de l’autre… L’univers peut offrir des spectacles aussi beaux que chaotiques et, depuis 2015, la science nous offre la possibilité d’être témoins de ces événements cosmiques. Vivre au Lycée vous explique comment ça marche !
En 1905, le célèbre Albert Einstein publie sa théorie de la relativité restreinte, qui stipule notamment qu’il existe une vitesse maximale et que rien ne peut aller plus vite que celle-ci : c’est la vitesse de la lumière.
Einstein et la relativité
Très vite, il comprend que cela va poser un problème avec la théorie de la gravitation alors admise : celle d’Isaac Newton. En effet, Newton nous dit que la gravitation est une force qui agit instantanément entre deux objets. Elle irait donc plus vite que la lumière.
Durant les années qui suivent, Einstein va tenter de réconcilier sa relativité restreinte avec la gravitation newtonienne jusqu’à ce que, finalement, en 1915, il publie l’une des plus belles théories scientifiques existantes : celle de la relativité générale. Ainsi, la gravitation n’agit plus comme une force, mais devient avec cette théorie une déformation de la structure-même de l’espace-temps.
Cette théorie aura plusieurs implications, dont une qui nous intéresse ici. Faisant suite à sa publication de 1915, Einstein publie en 1916 un article dans lequel il s’interroge sur les conséquences du mouvement accéléré d’un objet très massif (par exemple un trou noir ou une étoile à neutron).
Il en conclut que la déformation de l’espace-temps produite par celui-ci se propagerait dans l’espace en s’éloignant comme une onde, à la vitesse de la lumière, en déformant l’espace sur son passage. Cette onde, c’est justement l’onde gravitationnelle.
Un long chemin vers la détection
Une fois cette prédiction faite, quel intérêt ces ondes gravitationnelles peuvent-elles avoir ? Un intérêt certain visiblement puisque, depuis, plusieurs appareils ont été inventés pour tenter de les détecter, sans succès. Jusqu’à ce que, le 14 septembre 2015, près de 100 ans après leur prédiction, les ondes gravitationnelles soient détectées pour la première fois.
Et cela n’a pas été une mince affaire. Il a fallu un consortium d’un millier de scientifiques, les technologies les plus avancées, des budgets colossaux et la coopération de plusieurs pays pour réussir à construire des détecteurs assez puissants pour détecter une variation d’un milliardième d’un milliardième de mètre, l’équivalent d’un millième de proton (et oui, c’est très petit). On vous explique.
En se propageant, on vous le disait, l’onde gravitationnelle déforme l’espace : elle modifie sa géométrie, de sorte que si l’on prenait deux barres perpendiculaires et qu’une onde gravitationnelle les traversait, on verrait une barre s’allonger et l’autre rétrécir sur son passage (on ne le verrait pas à l’oeil nu, évidemment, mais vous avez l’idée).
Et c’est exactement comme ça que l’on a réussi à détecter ces ondes. On a construit trois énormes détecteurs, appelés des interféromètres : Virgo (un détecteur franco-italien en Italie) et Ligo (deux détecteurs américains). Chacun de ces détecteurs est construit avec deux bras perpendiculaires de plusieurs kilomètres de long. Quand une onde gravitationnelle passe, elle allonge un des bras, et rétrécit l’autre.
Pourquoi un interféromètre ?
Oui, mais avec une variation de la taille d’un millième de proton, comment peut-on remarquer que la taille change ? On vous le disait, ces énormes détecteurs sont des interféromètres.
Pour faire simple, un interféromètre est donc composé de deux bras perpendiculaires. A l’extrémité du premier bras, on installe une source de lumière. A l’extrémité du second bras, on installe un détecteur. Au croisement des ces deux bras, on installe une lame séparatrice qui sépare la lumière émise par la source en deux faisceaux, qui vont se propager le long des deux bras. Une fois arrivée au bout des deux bras, la lumière est réfléchie par des miroirs qui la ramènent vers la lame séparatrice (c’est un peu technique, mais le schéma devrait vous aider à y voir plus clair).
S’il n’y a pas d’onde gravitationnelle, les longueurs des bras sont réglées de sorte que quand les deux sources de lumières reviennent vers la lame séparatrice, aucune lumière ou presque n’arrive jusqu’au détecteur, car quasiment toute la lumière est renvoyée vers la source. Mais, si une onde gravitationnelle passe, la modification de la longueur des bras de l’interféromètre fait que davantage de lumière parvient au détecteur. C’est le signal de son passage.
Ainsi, le 14 septembre 2015, la première onde gravitationnelle a été détectée par les interféromètres de Ligo, aux Etats-Unis. Cet événement est l’aboutissement d’années d’un travail colossal, qui ouvre la porte à une nouvelle façon de voir l’univers et qui, par là-même, entraîne la naissance d’une nouvelle discipline, certainement pleine de surprises et de magnifiques découvertes à venir : l’astronomie gravitationnelle.
Fanny Aici
