télescope Einstein

Un interprète qui sursaute au moindre bruit dans la salle transforme une réunion d'une heure en deux heures. C'est un peu ce qui se passait avec les détecteurs d'ondes gravitationnelles lors de l'analyse de signaux longs : chaque rotation de la Terre ajoutait des perturbations dans les calculs, et le traitement d'une fusion d'étoiles à…

Un détecteur quantique, c'est comme un pendule sensible suspendu dans le vide. Si une onde gravitationnelle brutale passe à proximité, on pourrait s'attendre à ce que le pendule se mette à osciller. Mais le calcul montre le contraire : l'onde ne l'agite pas, elle amortit au contraire les oscillations déjà présentes.

Un interprète simultané dans une salle où deux personnes parlent : il doit suivre à la fois le sens et l'intonation, mais si le débit est trop rapide, il ne reste que le résumé.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ressemblent à des oreilles très fines : ils captent les frémissements de l'espace lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons entrent en collision quelque part dans l'Univers. Mais même les « oreilles » les plus perfectionnées n'entendent pas tout.

Un trou noir ressemble à une toupie qui ne s'arrête jamais d'elle-même. Mais si un nuage de particules ultralégères — des bosons — apparaît autour de lui, la donne change. Ce « brouillard » se met à agir comme un frein invisible : les particules extraient la rotation du trou, le forçant à ralentir.

La surface calme d'un lac se couvre soudain de rides — quelque part en profondeur, un rocher sous-marin s'est effondré. L'eau tremble à peine, et les cercles s'étendent de plus en plus loin, jusqu'à atteindre le flotteur près de la rive.

Dans une pièce sombre, on entend à peine un murmure. Pour distinguer les mots, il faut s'approcher tout près – ou disposer de nombreux microphones sensibles.

La cloche ne sonne pas sous l'impact, mais sous le frémissement éphémère de l'espace. Une onde gravitationnelle – comme une ride sur un étang – traverse un aimant massif, qui se déforme légèrement. Cette déformation peut être convertie en signal électrique.

Il y a 13,8 milliards d'années, l'Univers valsait. Le virage à droite était interdit. Aujourd'hui, les échos de ce bal cosmique nous parviennent sous la forme d'une ondulation à peine perceptible de l'espace-temps — ondes gravitationnelles. Leur existence a été prédite par Albert Einstein.

Deux étoiles à neutrons se rapprochent en spirale et entrent en collision. Naissent une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps, un bref sursaut gamma et une lueur faible que les astronomes appellent kilonova.

Un grondement sourd venant du sous-sol peut être le bruit d'un chantier lointain, ou bien l'écho d'un ancien tremblement de terre. Une énigme similaire s'est posée aux astronomes lorsqu'en 2023, ils ont capté des ondes gravitationnelles ultra-basse fréquence — un frémissement de l'espace-temps lui-même, parcourant l'Univers.

L'Univers parle le langage des ondes gravitationnelles — les frémissements de l'espace-temps lui-même.

La lumière d'une étoile lointaine s'intensifie un instant lorsqu'un objet massif invisible passe entre elle et le télescope. Ce phénomène — le microlentillage gravitationnel — agit comme un télescope naturel. Habituellement, une lentille de ce type est un trou noir qui déforme l'espace-temps autour de lui.

Un observatoire d'ondes gravitationnelles ressemble à un microphone réparti en différents points de la Terre. Lorsqu'un signal arrive de l'espace — par exemple, d'une fusion de trous noirs ou de l'explosion d'une supernova — chaque microphone entend quelque chose de légèrement différent.

En 2015, les détecteurs ont pour la première fois capté une onde gravitationnelle — un frémissement de l'espace provenant de la fusion de trous noirs. Depuis, ces signaux sont devenus une nouvelle fenêtre sur l'Univers pour l'astrophysique.

Lorsqu'une galaxie lointaine nous envoie sa lumière, celle-ci s'affaiblit avec la distance — et c'est grâce à cet affaiblissement que l'on peut savoir à quelle distance elle se trouve.

L'Univers ressemble à un gâteau à plusieurs étages, où notre étage — étoiles, planètes et êtres humains — n'est que l'un parmi tant d'autres. Dans l'étage voisin, que les physiciens appellent le secteur caché, bouillonnent des processus qui leur sont propres.

Une étoile morte dont le champ magnétique est des milliards de fois plus intense que celui de la Terre : voilà un magnétar. Sa croûte se fissure, libérant dans l'espace un puissant sursaut de rayons X. Mais une partie de cette lumière ne nous parvient pas sous sa forme habituelle.

Lorsque deux étoiles à neutrons — comprimées à la taille d'une ville — se rapprochent dans une danse finale, l'espace-temps autour d'elles s'anime, émettant des ondes gravitationnelles.

C'est Edwin Hubble qui a découvert que les galaxies s'éloignent, et Georges Lemaître a relié cela à l'expansion de l'espace. Aujourd'hui, le modèle ΛCDM, qui repose sur l'énergie noire et la matière noire, affirme que l'Univers est plat, comme une toile parfaitement tendue.

Les ondes gravitationnelles sont un frémissement de l'espace-temps lui-même. D'habitude, on n'en perçoit que le bourdonnement global, mais chaque onde possède aussi une direction d'oscillation : la polarisation.

Deux faisceaux lumineux courent en sens inverse sur un anneau fermé. Comme la vitesse de la lumière est constante, lorsque l'anneau tourne, l'un des faisceaux doit rattraper une cible qui se déplace, tandis que l'autre va plus vite. Leur rencontre crée une figure qui permet de déterminer la vitesse de rotation de l'ensemble.

L'espace-temps n'est pas un vide, mais une membrane élastique. Lorsque des étoiles à neutrons (des sphères ultra-denses de la taille d'une ville) ou des trous noirs entrent en collision, la membrane frémit : des ondes gravitationnelles la parcourent.

Un orchestre géant où chaque musicien est une particule née dans les flammes du Big Bang. Lorsque la baguette du temps donne le signal, ces particules commencent à se désintégrer, se transformant en particules plus légères. Chaque désintégration s'accompagne d'un accord discret : l'émission de gravitons, de minuscules quanta de gravité.

Les ondes gravitationnelles sont les frémissements de l'espace provoqués par les fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Un orchestre lointain joue une symphonie, mais l'enregistrement est plein de parasites. La mélodie est écrite pour deux instruments, pourtant un troisième voix semble émerger du bruit — douce et inconnue.

Trois satellites s'écarteront dans le vide héliocentrique, formant un triangle de trois millions de kilomètres de côté.

Un cristal plat d'atomes chargés, suspendus dans un piège électromagnétique, fonctionne comme un étang parfaitement lisse. Le moindre souffle – et des rides parcourent sa surface.

Une horloge, ce n'est pas que des aiguilles. Tout noyau atomique est un métronome naturel : il oscille avec une régularité presque parfaite. Si l'on soulève un de ces métronomes de deux mètres, son rythme s'accélère légèrement — c'est la courbure de l'espace-temps prédite par Einstein.

Dans le casque à travers lequel on écoute un orchestre lointain, un grésillement se fait entendre de temps en temps. Ce grésillement peut être si fort qu'il couvre la musique, ou même se fondre avec elle.

Un quasar lointain apparaît comme quatre points lumineux disposés en croix. C'est ainsi que la gravité d'une galaxie située sur la ligne de visée le déforme : elle agit comme un verre irrégulier et multiplie l'image. Chaque point est le même objet, mais sa lumière emprunte des chemins différents.

En 2015, deux installations géantes aux États-Unis ont capté un frémissement de l'espace : une onde gravitationnelle provenant de la collision de trous noirs. Depuis, de tels signaux sont détectés régulièrement, mais les détecteurs eux-mêmes sont énormes : leurs bras s'étendent sur des kilomètres.

La lumière d'une étoile met des millions d'années à nous parvenir, mais dans un télescope, elle apparaît toujours comme un point — trop loin. Pour voir la surface d'une étoile, il faudrait un instrument de la taille d'une ville. Au Chili, un tel géant est déjà en construction : ELT, avec un miroir de 39 mètres, assemblé à partir de 798 segments hexagonaux.

Selon la théorie d'Einstein, les objets massifs provoquent une courbure de l'espace-temps, un peu comme une boule lourde déforme une feuille de caoutchouc. En accélérant, ils créent des ondulations — les ondes gravitationnelles, semblables aux cercles que fait une pierre jetée dans un étang.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

En août 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons – des résidus ultra-denses d'étoiles explosées. Au même moment, la vie quotidienne suivait son cours sur Terre : les avions atterrissaient, les voitures roulaient, et les navigateurs calculaient des itinéraires.

Dans un recoin sombre de la Voie lactée, un métronome naturel fonctionne. Toutes les 8196 secondes, soit environ 2 heures 16 minutes, un éclat de rayons X jaillit à la surface d'une étoile à neutrons. L'étoile EP J171159.4-333253 attire le gaz de son étoile voisine, et ce gaz, en tombant, s'accumule à sa surface.

Dès sa naissance, l'Univers ne s'est pas contenté de s'étendre : il a été gonflé à une vitesse inimaginable. Cette phase, appelée inflation, a été proposée par Alan Guth. De nouveaux modèles comparent ce processus au gonflage d'un ballon par à-coups. Si, entre deux à-coups, le piston marque une pause d'un instant, le ballon se contracte et claque.

La fusion de deux étoiles à neutrons, c'est comme un coup de gong : un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers, une onde gravitationnelle. Les détecteurs sur Terre captent ce frémissement et, grâce à son intensité, calculent la distance de la source.

Mesurer l'expansion de l'univers, c'est un peu chronométrer une course alors que la piste s'étire. Les fusions d'étoiles à neutrons servent de sirènes standard : leurs ondes gravitationnelles émettent un « volume » connu, donc un signal plus faible signifie une distance plus grande.