cosmologie des ondes gravitationnelles

L'onde gravitationnelle issue d'une fusion de trous noirs, c'est comme le son d'une cloche dans la nuit. L'intensité du son permet de savoir à quelle distance se trouve la source.

On peut envoyer une impulsion radio courte vers un trou noir et attendre l'écho réfléchi. On pourrait penser que plus le signal est court, mieux il sonderait les moindres détails de l'espace près de l'horizon – cette région d'où même la lumière ne revient pas.

2.1 × 10⁻⁹ — c'est à peu près l'écart de température observé sur le ciel, comme si l'on mesurait, à la surface de l'océan, des ondulations hautes d'une fraction de millimètre. Cette infime inhomogénéité est gravée dans le fond diffus cosmologique et raconte les tout premiers instants.

La fusion de deux trous noirs est l'explosion la plus puissante de l'Univers, mais il est impossible de la voir. Nous ne captons que le frémissement de l'espace-temps — les ondes gravitationnelles qui nous parviennent du cœur même de la catastrophe.

Les détecteurs captent les « ondulations » des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de trous noirs ou d'étoiles à neutrons — comme un écho de la cuisine où se prépare un plat cosmique.

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.

Deux trous noirs se percutent de plein fouet à grande vitesse, tandis qu'un troisième tourne à proximité. Dans la vie courante, un tel accident produirait une onde de choc d'ondes gravitationnelles (des ondulations de l'espace, comme celles d'un caillou jeté dans un étang).

Lorsque deux étoiles mortes entrent en collision dans une galaxie lointaine, deux messagers nous informent de l'événement : un frémissement de l'espace — l'onde gravitationnelle — et un éclat de lumière. Les deux messagers traversent l'Univers pour nous rejoindre, mais leurs chemins peuvent légèrement différer.

Le mystère de l'antimatière disparue hante la physique depuis le milieu du XXe siècle. Le Big Bang aurait dû créer des quantités égales de matière et d'antimatière, mais le monde actuel est presque entièrement matériel.

Le ciel nocturne semble aussi lisse que la surface d'un lac paisible. Mais si l'on observe les sursauts gamma – de brèves et éblouissantes explosions visibles à travers tout l'Univers – on découvre des vagues dans cette étendue. Des scientifiques ont pris un catalogue de ces sursauts et ont divisé le ciel en deux hémisphères.

Prenez deux boules lourdes et écartez-les d'un mètre : elles s'attirent avec une force qui diminue d'un facteur quatre lorsqu'on double la distance. Cette loi a été découverte par Newton, et elle fonctionne dans une pièce, dans le système solaire, dans une galaxie.

Deux trous noirs tournent de plus en plus vite l'un autour de l'autre et finissent par fusionner. Cette danse ébranle l'espace lui-même : des ondes se propagent depuis le lieu de la rencontre, comme les cercles provoqués par une pierre jetée dans l'eau. Parfois, la fusion s'accompagne d'un éclair de lumière.

Si l'on regarde une carte des galaxies lointaines, elle n'est pas parfaitement uniforme : d'un côté du ciel, il y en a un peu plus, de l'autre, un peu moins. Ce déséquilibre a été remarqué dans plusieurs relevés du ciel, et il ne ressemble pas à un hasard.

L'Univers est en expansion, et les scientifiques veulent savoir à quelle vitesse et de quoi il est composé. Pour cela, ils comparent les données provenant d'explosions d'étoiles lointaines, d'ondes sonores dans l'Univers primordial et de la faible lueur résiduelle du Big Bang. Chaque ensemble de données est comme une pièce de mosaïque, et il faut les assembler pour former une image d'ensemble.

La fusion de trous noirs engendre une onde gravitationnelle. Parfois, sur son chemin, elle rencontre une galaxie ou un amas de matière noire, prédite par Fritz Zwicky et découverte par Vera Rubin.

La matière noire constitue 85% de la matière de l'Univers, mais reste invisible. Elle ne se manifeste que par la gravité. On peut la détecter par son « son » cosmique – une faible vibration qui imprègne l'espace. Un détecteur isolé est impuissant : le signal est trop faible.

En 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont capté une ondulation de l'espace-temps provenant de la fusion de deux trous noirs à 540 mégaparsecs de nous. L'événement a été nommé GW170814.