Onde gravitationnelle : qu'est-ce que c'est ?

Les ondes gravitationnelles sont des ondes se propageant dans le tissu élastique de l'espace-temps dont les déformations et la courbure sont gouvernées par les équations de la relativité générale.

Elles se propagent à la vitesse de la lumière en transportant de l'énergie. On peut les comparer à des déformations dans une sorte de gelée ou à la propagation des ondes à la surface de l'eau lorsqu'on y jette un caillou.

Les ondes gravitationnelles et la prédiction d'Albert Einstein

Ces ondes ont été prédites et décrites théoriquement par Albert EinsteinEinstein de 1916 à 1918 par analogieanalogie avec l'émission et la propagation des ondes lumineuses dans un champ électromagnétiquechamp électromagnétique lorsque l'on agite une charge.

Un phénomène similaire devait se produire dans le champ de gravitationgravitation constitué par la courbure de l'espace-temps lorsque certaines configurations de massesmasses sont animées de certains mouvementsmouvements. Tout comme les ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles transportent de l'énergie, de la quantité de mouvementquantité de mouvement et du moment cinétiquemoment cinétique.

On a commencé à penser sérieusement à partir des années 1960 qu'il devait être possible de développer une astronomie gravitationnelle très prometteuse car les ondes gravitationnelles sont très pénétrantes et elles peuvent nous renseigner sur des phénomènes astrophysiquesastrophysiques extrêmes que l'on trouve associés à des astresastres compacts comme les étoiles à neutronsétoiles à neutrons et les trous noirstrous noirs mais aussi le Big BangBig Bang.

Les projets Ligo et Virgo

La découverte en 1974 d'un premier pulsar binaire par Russell Hulse et Joseph Taylor (prix Nobel 1993) a permis de démontrer indirectement l'existence de ces ondes mais il restait à construire des instruments capables de les détecter directement. C'est ainsi que sont nés les projets Ligo, aux États-Unis, et VirgoVirgo en Europe.

Des explications très complètes sur ce que sont les ondes gravitationnelles, comment on les chasse et ce qu'elles peuvent nous révéler sur l'universunivers sont disponibles dans plusieurs billets que Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet a consacré à ce sujet sur son blogblog chez Futura-Sciences :

• La « lumière gravitationnelle » (1/4) : principes de base ;
• La « lumière gravitationnelle » (2/4) : de la barre à l’interféromètre ;
• La « lumière gravitationnelle » (3/4) : l'évènement GW150914.

La détection des ondes gravitationnelles

Une nouvelle ère très prometteuse pour l'astronomie s'est ouverte le 14 septembre 2015, à 11 h 51, heure de Paris (9 h 51 TU), lorsque les deux interféromètresinterféromètres construits aux États-Unis et qui constituent le Laser Interferometer Gravitational-wave ObservatoryLaser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo), ont bel et bien détecté directement le passage d'une onde gravitationnelle correspondant à la fusionfusion de deux trous noirs de masses stellaires.

Les deux astres compacts qui sont entrés en collision avant de ne plus faire qu'un seul trou noir contenaient respectivement 29 et 36 masses solaires, selon les analyses du signal observé. Bien qu'il n'ait pas été possible de situer précisément la région de la voûte céleste où s'est produit cet événement cataclysmique, on sait déjà qu'elle se trouve dans l'hémisphère sudhémisphère sud. On sait aussi que la collision s'est produite à environ 1,3 milliard d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée.

Le grand spécialiste des ondes gravitationnelles Kip Thorne, qui occupe la chaire Richard P. Feynman, de professeur de physiquephysique théorique émérite à Caltech, a déclaré que le phénomène, qui a converti l'équivalent de trois masses solaires en « lumière gravitationnelle » était, dans cette forme de rayonnement liée aux vibrationsvibrations du tissu de l'espace-temps, 50 fois plus lumineux que l'ensemble des étoiles de l'univers observable.

C'est un formidable succès pour Kip Thorne qui, avec ses collègues Rainer Weiss, professeur émérite de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT), et Ronald Drever, professeur de physique émérite à Caltech, a lancé l'impulsion qui a conduit au projet Ligo. Succès que les trois hommes partagent évidemment avec les très nombreux ingénieurs et physiciensphysiciens qui sont embarqués depuis des décennies dans la conception et la constructionconstruction des observatoires gravitationnels que sont Ligo aux États-Unis et Virgo en Europe, comme l'explique un communiqué du CNRS.

Les ondes gravitationnelles primordiales, ces ondes du Big Bang

Lors de la naissance de l'univers, l'espace-temps a dû vibrer et produire un fond d'ondes gravitationnelles aujourd'hui très faible et quasiment indétectable. Toutefois, une partie de ce fond a pu laisser des traces observables dans le rayonnement fossilerayonnement fossile du fait de la théorie de l'inflation - qui fait souvent intervenir au moins un champ scalaire analogue à celui du bosonboson de Brout-Englert-Higgs (le terme d'« inflaton » est parfois utilisé pour le désigner).

Cette théorie se décline selon une grande variété de modèles faisant intervenir de la nouvelle physique issue de différentes théories au-delà du modèle standardmodèle standard. Ces théories sont presque toujours liées à des énergies que le LHC (Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) ne peut pas sonder. Cependant, il existe tout de même plusieurs prédictions génériques de ces modèles.

La prédiction la plus caractéristique, peut-être, de la théorie de l'inflation concerne des fluctuations quantiques dans la structure même du tissu de l'espace-temps qu'elles font vibrer. Elles se présentent sous forme d'ondes gravitationnelles. Ces fluctuations sont d'ordinaire si faibles et si microscopiques qu'elles sont inobservables. Toutefois, lors de l'inflation, l'expansion de l'espace aurait agi comme un gigantesque zoom agrandissant ces fluctuations quantiques et rendant ces ondes gravitationnelles visibles dans le rayonnement fossile à grande échelle sur la voûte céleste. On peut alors démontrer leur occurrence sous la forme d'une polarisation bien spécifique. Il semble très difficile d'expliquer la présence de cette polarisation autrement qu'en faisant intervenir une phase de dilatationdilatation énorme de l'espace, seule à même de faire passer des fluctuations de l'espace-temps du monde de la microphysique à celui de la macrophysique.

L'expérience Bicep2Bicep2 a laissé penser un moment que l'on avait découvert cette polarisation sous la forme de ce que l'on appelle des modes Bmodes B. Hélas, Planck a réfuté cette observation. On continue à traquer ces traces des ondes du Big Bang car leur découverte révolutionnerait la cosmologiecosmologie et la physique.

Champ lexical : ondes gravitationnelles | lumière gravitationnelle