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Ondes gravitationnelles : Einstein avait vu juste

Les explications de Charles Tisseyre, animateur de l'émission Découverte

Des ondulations de l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, ont été détectées directement pour la première fois par des astrophysiciens américains du Caltech (California Institute of Technology), du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory).

Un texte d'Alain LabelleTwitterCourriel

La détection confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale énoncée par Albert Einstein en 1915 et promet de révolutionner l'étude de notre Univers.

Cette percée, qui couronne plusieurs décennies d'efforts, a été réalisée le 14 septembre grâce aux deux détecteurs de l'observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), situés dans les États de Washington et de la Louisiane.

L'humanité possède maintenant un autre outil pour explorer l'Univers

Tuck Stebbins, Centre Goddard de la NASA

Les scientifiques ont déterminé que les ondes détectées sont nées pendant la dernière fraction de seconde avant la fusion de deux trous noirs, des objets célestes encore mystérieux résultant de l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives. Cette détection est, par le fait même, la première observation de la « danse » finale de deux trous noirs qui finissent par fusionner.

Un chercheur travaille sur l'un des instruments d'un détecteur de l'Observatoire LIGO.Un chercheur travaille sur l'un des instruments d'un détecteur de l'Observatoire LIGO. Photo : LIGO

L'analyse des données a permis de déterminer que ces deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d'années. Ils étaient 29 et 36 fois plus massifs que notre Soleil.

En outre, la comparaison des temps d'arrivée des ondes gravitationnelles dans les deux détecteurs LIGO, distants de 3000 kilomètres l'un de l'autre (7,1 millisecondes d'écart), et l'étude des caractéristiques des signaux mesurés ont confirmé la détection. La source de ces ondes était probablement située dans l'hémisphère sud du ciel mais davantage de détecteurs auraient permis une localisation plus précise.

L'observatoire LIGOL'observatoire LIGO Photo : Caltech

Les chercheurs de l'équipe américaine travaillent en étroite collaboration avec leurs collègues du Centre National de la recherche scientifique de France (CNRS), et avec les équipes du détecteur franco-italien Virgo, près de Pise (Italie), qui devrait être opérationnel à la fin de l'année. 

Explications

La théorie d'Einstein veut que l'espace-temps se courbe en fonction de la distribution de la matière et de l'énergie. Il est localement courbé par une masse. Par exemple, la Terre courbe localement l'espace-temps dans son voisinage.

La Terre dans l'espace-tempsLa Terre dans l'espace-temps Photo : NASA

Si, par surcroît, cette masse bouge, la courbure produite va elle-même se propager sous forme d'ondulation. Lorsqu'elles sont produites par un corps très condensé, comme un trou noir ou une étoile à neutrons, ces ondulations de courbure agitent l'espace et produisent des ondes de gravitation qui se propagent à la vitesse de la lumière. Ce sont les ondes gravitationnelles.

Illustratiion artistique d'un couple de trous noirs produisant des ondes gravitationnelles dans l'espace temps.Illustratiion artistique d'un couple de trous noirs produisant des ondes gravitationnelles dans l'espace temps. Photo : NASA

Le concept illustré

Ces ondulations ressemblent aux vagues formées à la surface d'un lac quand on y jette un caillou. À l'échelle de l'Univers, ces vagues ont pour effet de plisser l'espace-temps, ce qui éloigne ou rapproche les astres ou les objets le composant. En fait, il existe deux types d'ondes gravitationnelles : les ondes primordiales, qui sont apparues juste après le big-bang, il y a 13,7 milliards d'années, et les autres ondes, fruit du déplacement d'objets massifs dans l'Univers.

La difficulté pour les physiciens est de les détecter, puisque ces vibrations sont infiniment petites et se déplacent à la vitesse de la lumière.

Par exemple, un plissement gravitationnel entre la Terre et la Lune entraînerait un rapprochement de l'ordre de la taille d'un atome.

Il faut donc des appareils incroyablement sophistiqués pour mettre en évidence ces infimes vibrations de l'espace.

Cette percée marque la naissance d'un domaine de l'astrophysique entièrement nouveau, comparable au moment où Galilée a pointé pour la première fois son télescope vers le ciel" au XVIIe siècle

France Cordova, National Science Foundation

L'astronomie du futur

Cette percée annonce la naissance de l'astronomie gravitationnelle et ouvre la porte à de nouvelles connaissances de notre Univers.

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.

Jean-Pierre Luminet dans le Destin de l'Univers

Les astrophysiciens pourront explorer différemment le ciel, et caractériser des phénomènes encore mystérieux, comme l'interaction entre deux trous noirs, la fusion de deux étoiles à neutrons et l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives.

Les années lumière consacre la première heure de l'émission dimanche 12 h 10 à la découverte sur ICI Radio-Canada Première.

Une observation indirecte

Une preuve indirecte de l'existence de ces ondes fut apportée en 1974 par les astrophysiciens américains Joseph Taylor et Russell Hulse.

Les deux hommes venaient de détecter un pulsar binaire, un système de deux étoiles à neutrons en rotation. Ces étoiles étant rapides et massives, leur mouvement a donné lieu à une forte émission d'ondes gravitationnelles créant beaucoup d'énergie. L'effet de ces ondes était de faire perdre l'énergie orbitale au système, si bien que les deux pulsars se sont rapprochés très lentement. Or, ce rapprochement peut se mesurer, et le calcul, la perte d'énergie des ondes gravitationnelles, correspond exactement à ce que la relativité générale prévoyait pour une étoile binaire émettant des ondes gravitationnelles. Ce fut donc une nouvelle vérification de la théorie, mais surtout une preuve indirecte de l'existence de ces ondes.

L'observation du rayonnement gravitationnel de ce système leur a valu le prix Nobel de physique en 1993.

La vidéo qui suit, produite par le Centre national d'études spatiales de France, explique le phénomène des ondes gravitationnelles. Pour l'écouter  sur votre appareil mobile, cliquez ici. (Nouvelle fenêtre)

Avec les informations de Agence France-Presse

Science