taiji

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.

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 poignée de cailloux tombe dans un étang — de chacun partent des ronds. Si les cailloux sont différents, les ronds le seront aussi : certains nets, d'autres plus doux. Mais quand on regarde l'eau de loin et qu'on ne voit qu'une petite partie de l'ondulation, toutes ces différences se brouillent.

Quelque part dans les profondeurs de la Voie lactée, des impulsions radio éclatent de temps en temps – rares, régulières, comme les battements d'un métronome lointain. Ces transitoires radio à longue période ont été découverts récemment et ont immédiatement laissé les astronomes perplexes.

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.

Un café bruyant. Vous essayez de saisir deux conversations discrètes : l'une vient d'une table près de la fenêtre (les fusions de trous noirs), l'autre est un murmure à peine perceptible dans un coin éloigné (les échos de la naissance de l'Univers).

Une toupie qui fait cent tours par seconde se met soudain à perdre de la vitesse — bien plus vite que toutes les toupies connues. C'est exactement ce que fait le pulsar J0435+3233. C'est une étoile morte, comprimée à la taille d'une ville, mais tournant à une vitesse folle.

En 2034, une fusée quitte le pas de tir avec une cargaison inhabituelle : deux sphères de la taille d'un gros globe terrestre, chacune pesant près d'une tonne. Aucun moteur, aucun appareil électronique. Seulement une surface miroitante composée de centaines de réflecteurs en coin — de minuscules prismes qui renvoient la lumière exactement d'où elle vient. C'est le futur diapason cosmique.

En 2019, l'installation LIGO a enregistré une onde gravitationnelle — une ondulation dans le tissu de l'espace-temps — dont la carte temps-fréquence ressemblait à un peigne étrange. Chaque signal de fusion de trous noirs laisse une empreinte unique, comme des empreintes digitales.

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.

L'Univers résonne, mais notre oreille ne perçoit que les graves. LIGO entend le grondement des fusions de trous noirs — c'est l'infrason du cosmos. Plus haut, dans les gigahertz, tintent les flûtes et les violons de la gravitation primordiale.

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.

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.

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.

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.

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.

Une petite pièce de monnaie tourne autour d'une lourde boule de bowling. La pièce, c'est un petit trou noir ou une étoile à neutrons, et la boule, c'est un trou noir supermassif au centre d'une galaxie.

Quand l'eau gèle dans un lac, la glace se couvre d'un réseau de fissures – les frontières entre les cristaux. Un processus similaire, dans les premiers instants après le Big Bang, a pu engendrer d'immenses structures rappelant des fractures de glace. Les scientifiques les appellent des parois de domaine.

Les pulsars sont des étoiles mortes qui tournent avec une régularité impeccable. Leurs émissions radio sont plus précises que des horloges atomiques.

Le 14 mai 2019, les détecteurs LIGO ont enregistré un sursaut gravitationnel qui sortait de l'ordinaire. L'événement GW190521 s'est présenté comme la collision de deux trous noirs de 85 et 66 masses solaires.

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 astronomes écoutent le cosmos comme un vieux poste de radio : ils tournent le bouton non pas pour trouver une station précise, mais pour capter tout bruit inhabituel. Cette approche sort des sentiers battus : au lieu de chasser les ondes gravitationnelles selon des schémas appris par cœur, ils attrapent tout ce qui passe, sans parti pris.

L'Univers ressemble parfois à une casserole d'eau bouillante. Lorsqu'on chauffe suffisamment, le liquide se transforme en vapeur — c'est une transition de phase. Dans l'Univers primordial, quelque chose de similaire a pu se produire : un champ qui emplissait l'espace a soudainement changé d'état, comme l'eau qui devient gaz.

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.

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

Dans les années 1960, le physicien Joseph Weber tentait déjà de capturer les ondes gravitationnelles à l'aide de cylindres en aluminium, qui devaient vibrer comme des diapasons sous l'effet des ondulations de l'espace-temps.

Dans une immense salle, une centaine de diapasons sont disposés. Chacun d'eux est un pulsar, un vestige ultra-dense d'étoile qui tourne à une vitesse folle et émet des impulsions radio plus précises que n'importe quelle horloge. Lorsqu'une onde sonore grave traverse la salle, tous les diapasons se désaccordent légèrement en même temps.

Le frémissement de l'espace résonne comme un orchestre. Les ondes gravitationnelles captées par les détecteurs LIGO et Virgo racontent les collisions de trous noirs. Parfois, la musique laisse entendre de fausses notes – d'infimes écarts par rapport à la partition d'Einstein.

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

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont des microphones qui écoutent les frémissements de l'espace. Mais leur propre bruit étouffe les signaux faibles.

Un diapason, une fois mis en vibration, fait vibrer les cordes voisines. C'est à peu près ce que fait un nuage de particules ultralégères (aussi appelées axions) autour d'un trou noir en rotation rapide.

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.

Le radiotélescope FAST, en Chine, est une antenne géante de 500 mètres de diamètre, nichée dans un entonnoir naturel au milieu des montagnes.

Le détecteur Taiji, dont le lancement dans l'espace est prévu, captera les frémissements de l'espace provoqués par les collisions d'énormes trous noirs. Mais dans ses données, des sursauts aléatoires apparaissent sans cesse — comme des crachotements dans un poste de radio.

L'Univers n'a pas commencé dans le silence, mais avec un fracas grandiose — les ondes gravitationnelles primordiales, ondulations de la trame même de l'espace-temps, portent encore l'écho de cet événement. Les astrophysiciens tentent de capter cet écho par deux méthodes complémentaires.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

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.

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.