Des vagues dans l’espace-temps

Ken Tapping, le 23 février 2016

Dans le ciel cette semaine…

  • Jupiter se lève vers 19 h, Mars, à 1 h, Saturne, à 2 h, et Vénus, bas dans le ciel à l’aube, vers 6 h.
  • La Lune affichera son dernier quartier le 1er mars.

Il y a plus d'un milliard d'années, deux trous noirs sont entrés dans une spirale funeste à l'issue de laquelle ils se sont amalgamés. L'énergie libérée a été tellement puissante qu'elle a déformé l'espace-temps en s'y propageant par vagues. En septembre dernier, ces vagues, appelées « ondes gravitationnelles », sont parvenues jusqu'à la Terre où elles ont été détectées indépendamment par deux instruments. Cette découverte venait confirmer les prédictions d'Einstein quant à leur existence et nous donnait un outil puissant pour étudier l'Univers.

On retrouve toutes sortes d'ondes dans la nature. Tout objet élastique, compressible ou qui a la faculté de reprendre sa place peut générer des ondes. Une pierre lancée dans l'eau d'un étang, et la surface se couvre de rides concentriques se dispersant dans toutes les directions. Un bateau fendant l'eau d'un lac produit une vague de proue et un sillage. Les sons que nous entendons sont aussi des ondes de pression transmises dans l'air, que nous détectons lorsqu'elles frappent notre tympan. Les caractéristiques de ces ondes mesurées à distance permettent d'établir leur point d'origine et la nature de leur source.

À l'époque d'Isaac Newton et jusqu'au XXe siècle, les scientifiques croyaient que l'espace était un vide immense dans lequel les étoiles, les planètes et les galaxies se déplaçaient. Puis vint Einstein, qui a brossé un tout autre portrait de l'Univers, donnant la clé de nombreuses énigmes qui nous mystifiaient. Ses théories ont été mises à l'épreuve pendant des dizaines d'années. Selon Einstein, l'espace était le contraire du vide, un genre de toile pouvant s'étirer et se déformer, et donc, capable de transmettre des ondes – des rides dans l'espace-temps baptisées depuis « ondes gravitationnelles ».

Les planètes filant sur leur orbite produisent des vagues et un sillage dans l'espace-temps. L'énergie dépensée ralentit graduellement la course de la planète, qui se met à tracer une spirale autour de son étoile. L'énergie perdue est toutefois minime. Dans le cas de la Terre, cela représente à peine 200 W, soit la consommation de deux ampoules incandescentes. Rien pour s'alarmer en définitive. Le Soleil va épuiser son combustible bien avant que nous nous rendions compte que l'orbite de la Terre s'est modifiée.

L'histoire en est tout autre lorsque deux trous noirs massifs tournent l'un autour de l'autre. Ils perdent des quantités prodigieuses d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, traçant l'un autour de l'autre des spirales de plus en plus serrées. Plus ils se rapprochent, plus leur vitesse augmente, et plus ils produisent d'ondes gravitationnelles, jusqu'à l'ultime collision. Les supernovas, ces explosions massives qui se produisent lorsqu'une étoile géante en fin de vie implose, produisent également des ondes gravitationnelles. Nous croyons que le Big Bang a aussi généré des ondes gravitationnelles qui nous ramèneraient loin dans le temps, possiblement jusqu'à la création de l'Univers, si jamais nous parvenions à les étudier. Ne serait-ce que pour cela, la quête pour trouver ces ondes est largement justifiée.

En théorie, la détection des ondes gravitationnelles est fort simple, mais pas en pratique. Les ondes ont pour effet d'étirer et de comprimer l'espace qu'elles traversent, attirant puis repoussant les objets éloignés. Sur Terre, l'effet produit par la collision de deux trous noirs à plus d'un milliard d'années-lumière de distance est infime. Pour détecter les ondes produites par cette collision, il a fallu des interféromètres laser d'une très grande sensibilité. Pour éviter que le faisceau laser ne se déforme en traversant l'air, on a dû effectuer les mesures dans le vide. Il a aussi fallu éliminer toutes les vibrations et compenser les écarts thermiques. Lors de la plus récente observation, deux instruments identiques ont détecté au même moment un même pic d'ondes gravitationnelles, d'à peine une fraction de seconde, correspondant au moment où les deux trous noirs sont entrés en collision.

Cette découverte a donné un nouvel essor à la recherche scientifique sur les ondes gravitationnelles, qui nous révéleront des choses que nous n'avons jamais pu observer auparavant et que nous ignorons totalement à l'heure actuelle, notamment sur l'Univers et l'espace-temps.

Ken Tapping est astronome à l'Observatoire de radio-astrophysique du Conseil national de recherches du Canada, à Penticton (C.-B.) V2A 6J9.

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