Les ondes gravitationnelles décrochent le prix Nobel de physique 2017

La physique connaît depuis longtemps les ondes mécaniques et électromagnétiques, qui se caractérisent par l'absence de transmission de matière en direction du mouvement de l'onde — les particules ne faisant qu'osciller près de leur point d'équilibre. Les ondes portent pourtant l'énergie de ces fluctuations d'un point de l'espace vers un autre. S'il s'agit des ondes mécaniques, ces particules peuvent être des atomes ou des molécules, tandis que les ondes électromagnétiques sont suscitées par le mouvement des charges accélérées.

Aujourd'hui, un nouveau type d'ondes a été confirmé: les ondes gravitationnelles dont l'existence avait été prédite en 1916 par Albert Einstein sur la base de sa théorie de la relativité générale. Le 11 février 2016, les membres du projet LIGO mené par Kip Thorne, Rainer Weiss et Barry Barish ont annoncé les preuves de l'existence des ondes gravitationnelles.

Pour mieux se représenter les ondes gravitationnelles, on peut les comparer au jet d'une pierre dans l'eau, qui entraîne la création de «cercles». Imaginons que l'eau est l'espace-temps de notre univers, et que la pierre est un trou noir: les ondes sont les fluctuations de l'espace qui se propagent dans le temps à la vitesse de la lumière.

Pratiquement tout événement accompagné d'un déplacement accéléré de matière produit des ondes gravitationnelles. Leur passage entre des objets se trouvant en état de chute libre, par exemple, permet de mesurer leur distance. Cette dernière constitue l'amplitude de l'onde. Le dépistage de ces ondes a pris des dizaines d'années à cause des difficultés techniques que cela représentait. Le fait est que la gravitation est une interaction très faible, et que l'amplitude de ses ondes est donc extrêmement minuscule. Il fallait donc capter le signal émis par des objets massifs pour l'étudier. Pour cela, les meilleurs candidats étaient les pulsars, les trous noirs et les supernovas. Le problème est que leur interaction est un événement assez rare dans notre galaxie, qui a lieu tous les 10 voire 30 ans. Qui plus est, ce signal lointain est considérablement amorti lors de la traversée de très longues distances. C'est pourquoi la conception d'un projet orienté vers la recherche des ondes gravitationnelles a pris beaucoup de temps.

Mais quand a-t-on définitivement découvert ces ondes furtives et mystérieuses? L'Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) a été muni d'un détecteur de 4 kilomètres de long composé de 4 miroirs larges (34cm de diamètre chacun) fixés aux bouts de deux tubes perpendiculaires — les "épaules du détecteur". Ils ont été placés sur plusieurs supports afin de les empêcher de vibrer. Le système est par ailleurs placé dans un vide total pour que la lumière ne puisse pas se dissiper à cause de particules occasionnelles. Lors du passage d'une onde gravitationnelle, les miroirs commencent à vibrer. Ils reflètent la lumière qui est ensuite captée par le séparateur. La phase de la lumière change sous l'influence de l'onde gravitationnelle, ce qui est enregistré par l'interféromètre.

Le 14 septembre 2015 à 9:50:45, la fusion de deux trous noirs massifs a provoqué une onde gravitationnelle qui s'est ensuite étendue sur tout l'Univers: elle a été enregistrée par deux détecteurs de LIGO avec une différence de temps de plusieurs millisecondes. La masse de ces deux objets était respectivement de 29 et 36 fois supérieure à celle du Soleil, alors que la source se trouvait à 1,36 milliards d'années-lumière de la Terre. L'amplitude des oscillations captée par les détecteurs se chiffrait à 10-21. Quatre mois après — soit le temps qu'il a fallu pour analyser et confirmer l'authenticité des résultats — LIGO a organisé une conférence de presse pour confirmer la découverte des ondes gravitationnelles.

Pour le moment, on a enregistré quatre sursauts d'ondes gravitationnelles. Les chercheurs ont également mis en exploitation le troisième détecteur, VIRGO, permettant d'établir l'origine de l'onde de manière beaucoup plus exacte.

La preuve de l'existence de ce nouveau type d'ondes a confirmé la justesse de l'approche géométrique de la gravitation, qui sert de fondement à la théorie de la relativité générale. Il est possible que les ondes gravitationnelles nous permettent désormais de trouver des réponses aux questions les plus compliquées concernant notre Univers.