Mardi 3 Octobre 2017, le prix Nobel de Physique est attribué à Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne qui sont à l’origine de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) qui a permis la détection de la déformation de l’espace-temps que représentent les ondes gravitationnelles.
De nombreux chercheurs de part le monde ont contribué à ce projet qui ouvre de nouvelles perspectives quant à l’exploration spatiale. Car » à l’inverse de la lumière électromagnétique, la lumière gravitationnelle n’est pas absorbée par la matière issue de sources lointaines, elle peut parvenir à la Terre en conservant toute l’information sur la configuration des sources qui l’ont engendrée. » L’étude repose sur l’utilisation de rayons lasers qui sont décalés et dont on mesure la différence, très infime au demeurant. [Plus d’informations sur LIGO].
La théorie de la relativité générale d’Einstein, qui est la théorie moderne de la gravitation, prévoit l’existence d’ondes gravitationnelles, des déformations infimes de l’espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière. On peut s’en faire une image simple par analogie avec la vague qui se propage à la surface d’un lac lorsque l’on y jette une pierre. Ces ondes gravitationnelles peuvent être produites par des phénomènes violents dans l’Univers comme des explosions d’étoiles ou des fusions de trous noirs.
Une onde gravitationnelle n’est pas un séisme mais plutôt une infime ondulation de l’espace-temps qui se propage dans l’univers à la vitesse de la lumière. C’est une infime variation des distances, d’une échelle de 10 puissance -21 mètres, soit moins que la taille du noyau d’un atome. Ces ondes sont produites par des phénomènes astrophysiques violents, comme la coalescence d’étoiles à neutrons ou de trous noirs, ou bien l’explosion d’étoiles massives en supernovæ. Les ondes gravitationnelles sont une des conséquences de la théorie de la relativité générale, publiée par Albert Einstein en 1915, il y a un siècle. Néanmoins, ce n’est que dans les dernières décennies que les progrès technologiques ont permis de concevoir des instruments comme Virgo, suffisamment sensibles pour détecter directement les ondes gravitationnelles sur Terre.
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations de l’espace-temps produites par des masses accélérées, alors que les ondes électromagnétiques sont des perturbations du champ électromagnétique créées par des charges électriques accélérées – par exemple lorsque du courant électrique circule dans une antenne. En plus de leurs origines bien distinctes, ces deux types d’ondes agissent sur des quantités physiques différentes : les ondes gravitationnelles sur la géométrie de l’espace-temps, les ondes électromagnétiques sur les charges électriques. De plus, la gravitation est une force bien plus faible que l’électromagnétisme : on s’attend à ce que l’effet du passage d’une onde gravitationnelle sur Terre soit extrêmement faible, ce qui explique pourquoi des instruments spéciaux, aussi complexes que Virgo, sont nécessaires pour le détecter.
Le phénomène ainsi étudié via LIGO a été la collision de deux trous noirs qui ont fusionné il y a environ 1.3 milliard d’années et avaient des masses respectivement 29 et 36 fois celle du soleil. Selon la théorie de la relativité générale, un couple de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre perd de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Les deux astres se rapprochent lentement, très lentement sachant que le phénomène peut prendre des milliards d’années avant de s’accélérer brusquement.
Détecter les ondes gravitationnelles ouvrira une nouvelle fenêtre sur le cosmos. Les ondes gravitationnelles sont des « messagers » complémentaires des observations astronomiques traditionnelles, basées sur l’ensemble du spectre électromagnétique (la lumière visible, l’infrarouge, les ondes radios, les rayons X et gamma), les rayons cosmiques ou les neutrinos. De plus, la détection directe des ondes gravitationnelles fournira un test puissant de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Celle-ci explique la gravitation au moyen de la courbure de l’espace-temps mais elle n’a jusqu’à présent été testée que dans des cas où la gravitation est faible, comme dans le Système solaire. Les ondes gravitationnelles sont un moyen unique de tester la gravitation dans des conditions extrêmes. Détecter puis étudier les ondes gravitationnelles seront des étapes majeures pour comprendre la nature de la gravitation.
