interférométrie des ondes gravitationnelles

Les deux états de l'atome de strontium sont comme deux jumeaux qui courent sur la même piste, mais l'un légèrement au-dessus de l'autre. D'habitude, la lumière utilisée pour manipuler les atomes pousse un jumeau plus fort que l'autre. Ici, on a choisi une longueur d'onde de 813 nanomètres — « magique » — pour laquelle les deux reçoivent la même impulsion.

La lumière qui traverse un verre d'eau trouble s'affaiblit : une partie est absorbée. C'est ainsi que fonctionnent de nombreux instruments d'analyse de liquides : ils mesurent la perte de lumière et en déduisent la composition. Mais si le liquide est hétérogène, comme une soupe avec des morceaux, une seule valeur ne suffit pas : il faut savoir où l'absorption est la plus forte.

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.

Une particule quantique peut se comporter comme une onde et passer simultanément par deux chemins. Mais si quelque chose « observe » le chemin qu'elle prend, l'onde disparaît. Cet effet s'appelle la perte d'interférence. En général, ce sont les photons ou les molécules d'air qui jouent les espions.

Vous écoutez le murmure lointain des étoiles, et à côté de vous, quelqu'un n'arrête pas de déplacer une chaise. Dans les télescopes à ondes gravitationnelles, ce rôle est joué par la lumière diffusée : elle se réfléchit sur des surfaces qui tremblent et crée de faux signaux.

Dans la quête des ondes gravitationnelles — ces ondulations de la courbure de l'espace-temps laissées par les trous noirs et les étoiles à neutrons — les détecteurs comme LIGO injectent dans leurs bras une lumière d'une puissance éblouissante.

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.

Deux microphones sensibles écoutent l'Univers. L'un perçoit un grondement sourd, l'autre presque rien. Ce n'est pas une panne, mais la façon dont ils sont orientés. Les observatoires d'ondes gravitationnelles comme LIGO ne captent pas seulement les sursauts violents issus de la fusion de trous noirs.

Les câbles Internet sous-marins qui enserrent la planète fonctionnent comme une oreille géante. Le fil de verre à l'intérieur réagit aux mouvements de l'eau : les courants, les marées et les séismes lointains courbent le câble. La lumière qui parcourt le fil met un peu plus de temps à traverser – ce retard est mesuré sur la rive, en le comparant à une référence.

Un interprète enregistre une conversation de plusieurs heures. S'il tente de garder en tête tout le dialogue d'un bloc, il finira inévitablement par déformer les détails. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les observatoires gravitationnels : ils écoutent la « conversation » de corps massifs qui se rapprochent en spirale.

L'univers est imprégné d'une substance invisible — la matière noire ultra-légère, qui n'entre pas en collision avec la matière ordinaire mais peut frémir, telle une corde tendue.

Les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA fonctionnent comme des microphones géants à l'écoute des ondes gravitationnelles — les vibrations de l'espace lui-même.

Imaginez un immense ballon gonflable sur lequel sont dessinées des galaxies : on le gonfle, le dessin s'étire, les points voisins s'éloignent les uns des autres. La vitesse de cet étirement, c'est la constante de Hubble. D'habitude, les astronomes capturent la lumière d'étoiles lointaines et observent à quel point elle a rougi à cause de l'étirement de l'espace.

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.

Depuis que Paul Dirac a prédit théoriquement l'antimatière, les physiciens cherchent les moindres différences entre les particules et leurs antiparticules.

Une pâte à cake figée est parsemée de minuscules raisins secs. Si la pâte est homogène, tous les raisins gonfleront de la même manière, et le cake sera régulier. Mais si la pâte contient des grumeaux — certaines zones plus sucrées, d'autres plus fades — alors les raisins se répartiront de manière inégale : il y en aura beaucoup à certains endroits, et peu à d'autres.

La théorie de la gravité d'Einstein explique comment la masse courbe l'espace et le temps. Sa validité a été testée près de la Terre, mais les tests les plus extrêmes sont possibles à proximité des trous noirs, où les distorsions atteignent leur paroxysme.

Le pendule oscille avec une telle précision que, s'il comptait les secondes depuis le Big Bang, il n'aurait accumulé qu'une demi-seconde d'erreur à ce jour. Telle est la stabilité du nouveau laser ultraviolet portable — le cœur des horloges atomiques à aluminium.

Un appareil de radiographie à grilles ne prend pas une, mais trois photos d'un coup : un cliché classique, une carte des courbures invisibles du faisceau et une image des structures minuscules qui diffusent la lumière. Ensemble, elles aident à repérer, par exemple, l'emphysème ou la fibrose pulmonaire. Mais il y a un hic : pour séparer ces trois couches, il faut une astuce mathématique.

Les ondes radio émises par un sursaut gamma — la mort d'une étoile massive qui éclipse brièvement une galaxie — nous parviennent polarisées, oscillant dans un plan unique, telle l'aiguille d'une boussole figée dans un champ magnétique. Pour la première fois, les astronomes ont lu les indications de cette aiguille cosmique.

Une minuscule bille de verre est suspendue dans un faisceau laser, comme une poussière dans un rayon de soleil. Autour d'elle, un gaz raréfié : des atomes de krypton, de xénon et de lourdes molécules d'hexafluorure de soufre.

Un gravimètre atomique fonctionne comme une balance très précise pour la gravité : il lance un nuage d'atomes et observe la vitesse à laquelle ils retombent. Mais ces instruments ont un défaut caché : la forme du signal qu'ils produisent est légèrement asymétrique. Ce déséquilibre, tel un bord de règle irrégulier, décale imperceptiblement toutes les mesures.

Un sursaut gamma, c'est comme un coup de canon cosmique : un éclair bref mais éblouissant qui, pendant quelques secondes, éclipse une galaxie entière.

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.

Une corde de guitare effleurée du doigt vibre – et l'air autour d'elle transmet ce frémissement à l'oreille. L'espace-temps vibre autrement : lorsqu'une onde gravitationnelle le traverse, il s'étire et se compresse légèrement.

Les ondes gravitationnelles sont des frissons de l'espace lui-même, provoqués par exemple par des trous noirs en collision. Pour entendre ces frissons, on construit des installations géantes en forme de L : le faisceau laser parcourt les deux bras, se réfléchit sur des miroirs et revient.

La théorie de la gravité d'Einstein — la relativité générale — ne rencontre presque jamais la physique quantique dans des expériences directes. Ici, les scientifiques ont construit sur une table un labyrinthe de 50 km de verre et y ont envoyé des photons uniques.