Les ondes gravitationnelles : entendre l'Univers vibrer
Prédites par Einstein, détectées pour la première fois un siècle plus tard, les ondes gravitationnelles ont ouvert une nouvelle fenêtre sur le cosmos. Prochaine étape : un détecteur de millions de kilomètres dans l'espace.
Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs de l'observatoire américain LIGO enregistrent, à quelques millisecondes d'intervalle, un même frémissement. Le signal ne dure qu'une fraction de seconde. Il provient de la fusion de deux trous noirs survenue à environ 1,3 milliard d'années-lumière. Pour la première fois, l'humanité capte directement une onde gravitationnelle, une vibration de l'espace-temps lui-même, un siècle après qu'Albert Einstein l'a prédite.
En 1916, peu après avoir formulé la relativité générale, Einstein montre que sa théorie admet des ondes : des masses accélérées doivent produire des déformations de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière. Au passage d'une telle onde, les distances s'allongent dans une direction et se raccourcissent dans la direction perpendiculaire, puis l'inverse, au rythme de l'onde.
L'effet est infime. On le caractérise par l'amplitude h, la variation relative de longueur :
h = \frac{\Delta L}{L}
Pour les signaux détectés sur Terre, h est de l'ordre de 10^{-21}. Sur un bras de 4 kilomètres, cela représente une variation de longueur des centaines de fois plus petite que la taille d'un proton.
Des règles faites de lumière
Pour y parvenir, on utilise un interféromètre géant. Un faisceau laser est séparé en deux et envoyé dans deux longs bras perpendiculaires, où il fait de nombreux allers-retours entre des miroirs suspendus. Les deux faisceaux sont ensuite recombinés. Si les bras ont exactement la même longueur, les ondes lumineuses s'annulent et le détecteur reste dans le noir. Le passage d'une onde gravitationnelle modifie différemment les deux bras : un peu de lumière apparaît.
Il faut pour cela un vide poussé, des miroirs isolés des vibrations du sol, des lasers d'une stabilité extrême. Et il faut plusieurs détecteurs éloignés : un vrai signal les atteint tous, avec des décalages de quelques millisecondes qui indiquent sa direction, alors qu'une perturbation locale n'en touche qu'un. Les deux instruments de LIGO sont aux États-Unis. En Europe, le détecteur Virgo, né d'une collaboration entre la France et l'Italie, est installé près de Pise, au sein de l'Observatoire gravitationnel européen (EGO). La découverte de 2015 a valu le prix Nobel de physique 2017 à trois pionniers de LIGO.
17 août 2017 : voir et entendre
Le 17 août 2017, LIGO et Virgo détectent un signal d'un type nouveau : la fusion de deux étoiles à neutrons, des astres extrêmement denses. Grâce aux trois détecteurs, la source est localisée dans une zone du ciel d'environ 35 degrés carrés. Environ deux secondes plus tard, les satellites Fermi de la NASA et INTEGRAL de l'ESA enregistrent un bref sursaut de rayons gamma venu de la même région.
Quelque 70 observatoires se tournent alors vers cette zone. Ils trouvent la source dans la galaxie NGC 4993, à environ 130 millions d'années-lumière. Les télescopes de l'ESO y observent une kilonova, l'explosion qui suit la fusion et disperse des éléments lourds comme l'or et le platine. Pour la première fois, un même événement cosmique est à la fois vu et « entendu ».
LISA, un détecteur dans l'espace
Les détecteurs terrestres ne perçoivent que des ondes de fréquence relativement élevée. Les ondes plus lentes, émises par exemple par la fusion de trous noirs géants au cœur des galaxies, exigent des bras beaucoup plus longs, impossibles à construire sur Terre.
C'est l'objectif de LISA, mission de l'ESA à laquelle participe la NASA. Trois satellites, distants de 2,5 millions de kilomètres, formeront un triangle qui suivra la Terre autour du Soleil. Des lasers relieront des masses en chute libre à l'intérieur de chaque satellite et mesureront leurs distances à quelques millièmes de milliardième de mètre près. Sélectionnée en 2017, LISA doit être lancée vers le milieu des années 2030. Sa faisabilité a été validée par LISA Pathfinder, lancé en décembre 2015, qui a maintenu deux masses d'essai dans une chute libre d'une pureté inédite de mars 2016 à juin 2017.
Et sur Terre ?
Ces détecteurs repoussent les limites de techniques très terrestres : stabilisation de lasers, isolation sismique, ultravide, métrologie optique. Les mêmes savoir-faire servent à des capteurs et à des horloges toujours plus précis. Faire dialoguer par laser des engins distants de millions de kilomètres est aussi un enjeu pour transmettre le temps et la fréquence dans l'espace libre, objet d'une marche d'Anthropolaris (voir la marche H-LNK-06).
Une astronomie qui commence
En une décennie, les ondes gravitationnelles sont passées de la découverte à l'observation régulière. Elles permettent de recenser les trous noirs, de tester la relativité générale dans des conditions extrêmes et, espèrent les cosmologistes, de mesurer l'expansion de l'Univers d'une manière indépendante. Avec LISA, elles pourraient révéler des sources que personne n'a encore imaginées.