détection des ondes gravitationnelles

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 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.

Jetez deux pierres de formes différentes dans un étang : les cercles à la surface raconteront laquelle était lisse et laquelle était anguleuse. C'est ainsi que fonctionnent les ondes gravitationnelles : lorsque deux objets superdenses fusionnent, les vibrations de l'espace-temps transportent des détails sur leur structure interne.

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.

Les cosmologistes ressemblent à des cartographes — sauf qu'au lieu de montagnes et de rivières, ils reportent sur la carte des forces invisibles. L'énergie noire, qui accélère l'expansion de l'Univers, demeure une énigme. L'une des hypothèses est le modèle de l'« enchevêtrement gravitationnel cinétique » (KGB).

Un immense bol d'eau. Jetez-y une pierre : des cercles se propagent à la surface. C'est à peu près ainsi que fonctionne le tissu de l'espace-temps : lorsque deux étoiles massives fusionnent, elles créent des ondulations — les ondes gravitationnelles.

En août 2019, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux objets compacts au sein d'une étoile binaire. L'un d'eux pesait 23 masses solaires — un trou noir ordinaire. Le second, 2.5–2.67 M⊙.

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.

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

Les antennes spatiales LISA et Taiji sont constituées de trois satellites qui suivent la Terre autour du Soleil, formant un triangle dont les côtés mesurent des millions de kilomètres.

Les détecteurs LIGO et Virgo captent les ondes gravitationnelles issues de fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Deux soleils morts dansent une valse éternelle. Leur orbite est un métronome parfait, qui mesure le temps avec la précision d'une horloge atomique. Mais même les étoiles mortes ont leurs tremblements.

Un bourdonnement parcourt tout l'Univers. Ce n'est pas un son, mais un frémissement de l'espace lui-même — le fond d'ondes gravitationnelles. Il est créé par des paires de trous noirs supermassifs qui tournent l'un autour de l'autre au centre de galaxies lointaines. Chaque paire est comme un instrument grave dans un immense orchestre.

Un funambule tournoie au-dessus d'un gouffre en spirale, se rapprochant du centre à chaque tour. Sa trajectoire n'est pas un glissement fluide, mais une série de secousses brusques et de pauses. C'est à peu près ainsi qu'un petit trou noir se comporte lorsqu'il est attiré par un voisin supermassif.

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.

Les satellites gravitationnels ont remarqué que le champ de gravité de la Terre respire imperceptiblement avec une période d'environ six ans. Comme si un pendule invisible balançait la planète de l'intérieur, et toutes les six années, l'aiguille de la balance se déplace légèrement.

Les télescopes gravitationnels écoutent la « musique » cosmique — ondes gravitationnelles provenant de catastrophes lointaines. Mais leurs enregistrements sont pleins de « rayures » — de courtes perturbations terrestres. Auparavant, l'évaluation se faisait sur l'ensemble du sillon d'un coup, et les faibles clics se perdaient.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition, tandis que le chef tente de saisir un rythme à peine audible, commun à tous. C'est à peu près ainsi que les astronomes recherchent les ondes gravitationnelles émises par des paires de trous noirs supermassifs (pesant des milliards de soleils) qui tournent l'un autour de l'autre dans des…

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.

Deux points sur la surface d'un ballon — voilà tous les repères dont on dispose quand on essaie de comprendre comment il se gonfle. C'est à peu près ainsi que les cosmologistes reconstruisent l'histoire de l'expansion de l'univers.

Les ondes gravitationnelles sont les frémissements de l'espace lui-même, nés lors de la collision de trous noirs ou d'autres corps massifs.

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.

La matière noire est la grande invisible du cosmos. Elle n'émet, n'absorbe ni ne réfléchit la lumière, mais son emprise gravitationnelle se ressent dans chaque mouvement des galaxies. Il y a soixante-dix ans, Vera Rubin a montré que les périphéries des galaxies tournent trop vite, comme si un berger invisible les fouettait.

L'astrophysique du XXIe siècle nous éblouit de triomphes : nous avons capté les frémissements de l'espace-temps lors de la fusion de géants invisibles ; nous avons observé « l'ombre » d'un monstre supermassif dans une galaxie lointaine ; nous avons tracé les orbites d'étoiles dansant autour d'un quelque chose compact au cœur de la Voie lactée.

Une pierre tombe dans un puits, et le plouf nous parvient avec un délai. Quelque chose d'analogue se produit avec la lumière lorsqu'elle s'éloigne de la Terre : ses oscillations se raréfient, le rayon semble « fatigué ». C'est le décalage vers le rouge gravitationnel — un phénomène dont Einstein parlait il y a un siècle.

Une casserole d'eau sur le feu. Quand l'eau bout, elle se transforme brusquement en vapeur : c'est une transition de phase. Dans les tout premiers instants après le Big Bang, l'Univers a vécu quelque chose de semblable, sauf que ce ne sont pas un liquide et un gaz qui ont changé, mais des champs fondamentaux.

Lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons fusionnent, ils font vibrer l'espace, émettant des ondes gravitationnelles — un gazouillis prédit par Albert Einstein. Des détecteurs comme LIGO capturent cette sonnerie cosmique, dont la hauteur encode les masses.

Un immense étang où se propagent des ondulations causées par deux lourdes pierres qui tournent l'une autour de l'autre. Les pierres se rapprochent, les ondulations deviennent plus fréquentes et plus fortes, et bientôt les pierres vont se heurter. Les ondes gravitationnelles sont comme ces ondulations, mais non pas sur l'eau, dans le tissu même de l'espace.

Quelques centaines de millions d'années après le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisine géante où les premières galaxies se formaient à partir d'une « pâte » primordiale d'hydrogène et d'hélium.

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.

Sur une table se trouve un instrument sensible : la balance de torsion. Deux lourdes masses tournent près d'une tige suspendue, et leur attraction tend à faire pivoter cette tige. Mais les masses sont disposées de sorte que leur attraction newtonienne ordinaire s'annule mutuellement : l'une tire d'un côté, l'autre du côté opposé. Il ne reste qu'un faible résidu, que l'instrument capture.

Lorsque deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre et fusionnent, ils envoient à travers l'Univers une ondulation : les ondes gravitationnelles. Ces ondes portent l'empreinte de la manière exacte dont les objets se sont déplacés avant la collision.

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.

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.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles comparent généralement le signal à des modèles préétablis, comme on cherche une mélodie familière dans le bruit. Cela permet de ne repérer que les scénarios connus, par exemple les fusions de trous noirs.

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.

Deux géants noirs tournent l'un autour de l'autre puis entrent en collision — un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers. Ce frémissement est capté par les détecteurs d'ondes gravitationnelles.

L'Univers est en expansion, et chaque amas de galaxies participe à une danse grandiose. Le rythme de cette danse est donné par la constante de Hubble, mesurée pour la première fois par Edwin Hubble il y a près d'un siècle.