LIGO-Virgo: les ondes gravitationnelles enfin dévoilées, Edouard Brézin*

Prédites il y a cent ans par Albert Einstein et véritable arlésienne de la physique contemporaine, les ondes gravitationnelles ont enfin été détectées. Retour sur le résultat d’une traque qui aura associé plus de 900 chercheurs du monde entier pendant plus de vingt ans

*Edouard Brézin est professeur émérite, Ecole Normale Supérieure.


Le 11 février 2016, un siècle exactement après qu’Einstein eut réussi à édifier une nouvelle théorie de la gravitation, connue sous le nom de relativité générale la collaboration mondiale LIGO-Virgo a annoncé un événement majeur : deux détecteurs situés aux États-Unis, l’un à Hanford en Louisiane, l’autre à Livingston dans l’État de Washington, avaient détecté des ondes gravitationnelles, l’une des prédictions importantes de sa théorie. La variation temporelle des signaux observés permettait de conclure que ces ondes avaient été émises par la coalescence de deux trous noirs ayant chacun une trentaine de masses solaires, situés à 1,3 milliard d’années-lumière de nous. Cet événement a émis sous forme d’ondes gravitationnelles une énergie équivalente à celle d’environ trois masses solaires ! Cette découverte est une première mondiale sur plusieurs plans : – première détection terrestre d’ondes de gravitation ; – première mise en évidence directe d’un trou noir (jusqu’à présent, l’existence de trous noirs, tel celui qui est au cœur de notre Voie lactée, était déduite de l’observation de leurs effets sur la trajectoire d’étoiles voisines) ; – première découverte de la coalescence de deux trous noirs. La performance expérimentale est impressionnante. Les instruments de mesure sont des grands interféromètres laser : un faisceau laser est divisé en deux faisceaux qui se propagent dans deux directions orthogonales dans des bras de plusieurs kilomètres de long ; ils se réfléchissent sur des miroirs, et après de très nombreux aller-retours reviennent interférer entre eux et créer des franges d’interférence. Le passage d’une onde de gravitation, c’est-à-dire d’une vibration de l’espace-temps, s’est traduit par une modification infime du chemin optique du faisceau, de l’ordre du milliardième de nanomètre (mille fois moins que la taille d’un simple noyau d’atome) ! Elle a néanmoins pu être détectée par le déplacement des franges d’interférence. Six équipes françaises ont participé à cette prouesse expérimentale qui a associé de nombreuses équipes internationales. L’interféromètre européen Virgo, situé près de Pise, en Italie, est en phase d’amélioration de sa sensibilité. Lorsqu’il sera remis en service, sa jonction avec les deux instruments de LIGO permettra de localiser les sources d’ondes gravitationnelles. 

Bras nord de l’interféromètre LIGO à Handford, (États-Unis).

Bras nord de l’interféromètre LIGO à Handford,(États-Unis).

RELATIVITÉ ET GRAVITATION 
Pour apprécier la signification de cette découverte, il faut remonter loin dans le passé pour en comprendre la genèse. En 1905, le jeune Albert Einstein, encore inconnu, comprend qu’il existe une vitesse limite de propagation des signaux entre deux points distants. Cette vitesse maximale est celle de la lumière, environ 300 000 km/s dans le vide, et reste identique pour tous les observateurs quelle que soit la vitesse à laquelle ils se déplacent. Cette théorie, la relativité restreinte, vite suivie de multiples confirmations expérimentales fort précises, impliquait nécessairement de revisiter tous les concepts classiques, par exemple la théorie classique de la gravitation énoncée par Newton, qui postulait une interaction instantanée entre deux masses (s’attirant mutuellement avec une force qui décroît comme l’inverse du carré de leurs distances). Il y avait là une contradiction avec la relativité restreinte, puisque si l’on fait osciller l’une des masses l’interaction newtonienne sur un autre corps serait immédiate. D’autres lois physiques sont elles aussi en contradiction apparente avec la relativité. C’est ainsi que la loi de Coulomb, qui donne la force de l’interaction entre deux charges électriques, est également une interaction instantanée entre deux corps distants : une charge oscillante aurait un effet immédiat sur une autre charge distante. Mais on savait depuis 1873, grâce aux travaux de Maxwell, qui avait unifié l’électricité et le magnétisme, qu’une charge oscillante devait produire en réalité une onde à laquelle seront soumises les autres charges. Cette onde se propage à la vitesse de la lumière, qui n’est elle-même qu’une onde électromagnétique : la théorie de Maxwell est bien l’une des sources d’inspiration de la relativité. Ce n’est qu’en 1887 (après la mort de Maxwell) que Hertz réussit à créer de telles ondes et à détecter leur effet distant. On sait désormais bien tout ce que nous devons à la découverte des ondes électromagnétiques. La résolution par Einstein de la contradiction entre la théorie de Newton de la gravitation et la relativité restreinte implique l’existence d’ondes de gravitation. Mais la longue et difficile démarche qu’il devait suivre jusqu’à l’article fondamental de 1916 a bien d’autres conséquences sur les concepts d’espace et de temps. Dès 1907, Einstein analyse l’équivalence entre les deux concepts de masse introduits par Newton : le premier, l’inertie, régit l’effet d’une force sur l’accélération d’un corps ; le second gouverne l’intensité de la force de gravitation à laquelle est soumis un corps massif. Dans l’expérience de pensée qui le guidera, il se représente un observateur imaginaire dans une cabine fermée en chute libre… pendant un certain temps. Si l’observateur lâche un objet qu’il tenait en main, celui-ci l’accompagnera fidèlement dans sa chute (en vertu de l’équivalence entre masse inertielle et masse gravitationnelle) : à l’intérieur de cette cabine tout se passe comme s’il n’y avait plus de champ de gravitation ! En d’autres termes, un champ de gravitation produit le même effet que celui d’un système uniformément accéléré en l’absence de gravitation. Partant de cette équivalence, Einstein comprit qu’il fallait établir une théorie géo métrique de la gravitation. Après plusieurs efforts infructueux, il aboutit à une théorie couplant intimement la matière (ou plutôt l’énergie) et l’espace, la matière étant source de courbure de l’espace-temps : la propagation des corps se fait ainsi dans un espace et selon un temps courbés par la matière…

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Salle de contrôle du site LIGO à Hanford, États-Unis.

QUELQUES CONSÉQUENCES DE LA NOUVELLE THÉORIE 
L’existence d’ondes gravitationnelles, vibrations de la géométrie de l’espace-temps se propageant à la vitesse maximale de la lumière, découla rapidement de cette nouvelle vision. Mais bien d’autres conséquences devaient voir le jour, parmi lesquelles la déviation de la lumière par la matière. En effet, dans cette nouvelle théorie, la lumière se propage selon les trajets les plus courts (les géodésiques) dans un espace qui est déformé par les masses, pouvant donner naissance à plusieurs phénomènes optiques. La première observation d’une lentille gravitationnelle fut ainsi faite par Eddington en 1919. Il observa que, lors d’une éclipse totale de Soleil, des étoiles qu’on imaginait cachées par cet astre restaient visibles grâce à l’effet de courbure des rayons lumineux par le Soleil ! De cette observation date la célébrité mondiale d’Einstein. Mais sa relativité générale a bien d’autres conséquences. Appliquée à l’Univers dans son ensemble, elle donna naissance à la cosmologie, qui cherche à en retracer l’histoire et le devenir. Attaché initialement à l’idée d’un Univers immuable, Einstein dut y renoncer lorsque l’astronome Edwin P. Hubble découvrit d’autres galaxies que la nôtre, et leur expansion qui les fait s’éloigner les unes des autres : la dilatation de l’espace-temps qu’il révéla ainsi permit de conclure que l’Univers a une histoire ! Une autre conséquence expérimentale amplement vérifiée est l’effet d’un champ de gravitation sur l’écoulement du temps. Les satellites artificiels qui orbitent autour de la Terre et servent au GPS subissent moins d’attraction gravitationnelle que les objets au sol ; ils suivent en conséquence un écoulement du temps un peu plus rapide qu’à la surface terrestre. Sans la compréhension de cet effet de relativité générale, le GPS serait inutilisable. Enfin, les équations d’Einstein impliquaient l’existence de trous noirs, région de l’espace-temps où les effets gravitationnels sont si intenses que ni particule ni rayonnement ne peuvent s’en échapper. Au centre de notre galaxie, un trou noir d’une mas – se supérieure à 4 millions de fois celle du Soleil a été détecté en 1998.

ET DEMAIN ?
Avec l’expérience Virgo-LIGO, il est certain qu’une nouvelle voie d’exploration de l’Univers vient de s’ouvrir. De même que naissait l’observation du ciel en radioastronomie après la Seconde Guerre mondiale, de même des observations d’ondes gravitationnelles permettront sans doute d’avoir de nouvelles données sur l’Univers primitif ou, qui sait, mettront peut-être en évidence des phénomènes inattendus. Bientôt d’autres longueurs d’onde seront explorées par une interférométrie inters-satellitaire, c’est-à-dire à très longue base. Un nouveau moyen de connaître l’histoire du Cosmos est né. 

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