La première détection directe d'ondes gravitationnelles devrait être annoncée le 11 février par des scientifiques de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser avancé (LIGO). À l'aide de deux détecteurs géants LIGO - l'un à Livingston, en Louisiane et l'autre à Hanford, Washington - les scientifiques ont mesuré les ondulations dans l'espace-temps générées par la collision de deux trous noirs et semblent avoir finalement trouvé ce qu'ils cherchaient.
Une telle affirmation confirmerait les ondes gravitationnelles prédites par Albert Einstein, dont il a fait partie de sa théorie générale de la relativité il y a 100 ans, mais les conséquences ne s'arrêteront pas là. En tant que vibration du tissu de l'espace-temps, les ondes gravitationnelles sont souvent comparées au son, voire transformées en pistes sonores. Les télescopes à ondes gravitationnelles permettraient aux scientifiques «d'entendre» les phénomènes de la même manière que les télescopes légers les «voient».
Lorsque LIGO s'est battu pour obtenir un financement du gouvernement américain au début des années 1990, les astronomes étaient ses principaux prétendants aux audiences du Congrès. «On pensait à l'époque que LIGO n'avait rien à voir avec l'astronomie», déclare Clifford Will, théoricien de la relativité générale à l'Université de Floride à Gainesville et l'un des premiers partisans du LIGO. Mais beaucoup de choses ont changé depuis.
Bienvenue dans le domaine de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Passons en revue les problèmes et les phénomènes qu'elle pourrait révéler.
Les trous noirs existent-ils vraiment?
Le signal attendu de l'annonce du LIGO peut avoir été produit par la fusion de deux trous noirs. Les événements comme ceux-ci sont les plus énergiques connus; la force des ondes gravitationnelles émises par elles peut éclipser brièvement toutes les étoiles de l'univers observé au total. La fusion des trous noirs est également assez facile à interpréter à partir d'ondes gravitationnelles très pures.
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Le signal attendu de l'annonce du LIGO peut avoir été produit par la fusion de deux trous noirs. Les événements comme ceux-ci sont les plus énergiques connus; la force des ondes gravitationnelles émises par elles peut éclipser brièvement toutes les étoiles de l'univers observé au total. La fusion des trous noirs est également assez facile à interpréter à partir d'ondes gravitationnelles très pures.
La fusion des trous noirs se produit lorsque deux trous noirs s'enroulent l'un autour de l'autre, émettant de l'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles. Ces ondes ont un son caractéristique (chirp) qui peut être utilisé pour mesurer la masse de ces deux objets. Après cela, les trous noirs fusionnent généralement.
«Imaginez deux bulles de savon qui se rapprochent suffisamment pour former une bulle. La plus grosse bulle est déformée », explique Tybalt Damour, théoricien de la gravitation à l'Institut de recherche scientifique avancée près de Paris. Le trou noir final sera parfaitement sphérique, mais doit d'abord émettre des ondes gravitationnelles de type prévisible.
L'une des implications scientifiques les plus importantes de la découverte de fusions de trous noirs sera la confirmation de l'existence de trous noirs - au moins des objets parfaitement circulaires composés d'un espace-temps pur, vide et incurvé, comme le prédit la relativité générale. Une autre conséquence est que la fusion se déroule comme les scientifiques l'avaient prédit. Les astronomes ont beaucoup de confirmation indirecte de ce phénomène, mais jusqu'à présent, il s'agit d'observations d'étoiles et de gaz surchauffés dans l'orbite des trous noirs, et non des trous noirs eux-mêmes.
«La communauté scientifique, moi y compris, n'aime pas les trous noirs. Nous les prenons pour acquis », déclare Frans Pretorius, spécialiste des simulations de relativité générale à l'Université de Princeton dans le New Jersey. "Mais si vous pensez à quelle incroyable prédiction il s'agit, nous avons besoin de preuves vraiment étonnantes."
Les ondes gravitationnelles se déplacent-elles à la vitesse de la lumière?
Lorsque les scientifiques commencent à comparer les observations LIGO avec celles d'autres télescopes, la première chose qu'ils vérifient est de savoir si le signal est arrivé au même moment. Les physiciens pensent que la gravité est transmise par les particules de graviton, l'analogue gravitationnel des photons. Si, comme les photons, ces particules n'ont pas de masse, alors les ondes gravitationnelles se déplaceront à la vitesse de la lumière, conformément à la prédiction de la vitesse des ondes gravitationnelles en relativité classique. (Leur vitesse peut être influencée par l'expansion accélérée de l'Univers, mais cela devrait se manifester à des distances dépassant considérablement celles couvertes par LIGO).
Il est tout à fait possible, cependant, que les gravitons aient une petite masse, ce qui signifie que les ondes gravitationnelles se déplaceront à une vitesse inférieure à la lumière. Ainsi, par exemple, si LIGO et Virgo détectent des ondes gravitationnelles et découvrent que les ondes sont arrivées sur Terre plus tard qu'associées à un événement cosmique de rayons gamma, cela pourrait avoir des conséquences fatales pour la physique fondamentale.
L'espace-temps est-il fait de cordes cosmiques?
Une découverte encore plus étrange pourrait se produire si des rafales d'ondes gravitationnelles sont détectées émanant de «chaînes cosmiques». Ces défauts de courbure spatio-temporels hypothétiques, qui peuvent ou non être liés aux théories des cordes, devraient être infiniment fins mais étirés à des distances cosmiques. Les scientifiques prédisent que les cordes cosmiques, si elles existent, pourraient se plier accidentellement; si la corde se plie, cela provoquera une surtension gravitationnelle que des détecteurs comme le LIGO ou le Virgo pourraient mesurer.
Les étoiles à neutrons peuvent-elles être déchiquetées?
Les étoiles à neutrons sont les restes de grandes étoiles qui se sont effondrées sous leur propre poids et sont devenues si denses que les électrons et les protons ont commencé à fondre en neutrons. Les scientifiques ont peu de connaissances sur la physique des trous de neutrons, mais les ondes gravitationnelles pourraient en dire long sur eux. Par exemple, la gravité intense à leur surface fait que les étoiles à neutrons deviennent presque parfaitement sphériques. Mais certains scientifiques ont suggéré qu'ils peuvent aussi avoir des «montagnes» - de quelques millimètres de haut - qui rendent ces objets denses, de 10 kilomètres de diamètre, pas plus, légèrement asymétriques. Les étoiles à neutrons tournent généralement très rapidement, donc une distribution de masse asymétrique déformera l'espace-temps et produira un signal d'onde gravitationnelle sinusoïdale constant, ralentissant la rotation de l'étoile et émettant de l'énergie.
Les paires d'étoiles à neutrons qui tournent l'une autour de l'autre produisent également un signal constant. Comme les trous noirs, ces étoiles tournent en spirale et finissent par se fondre dans un son distinctif. Mais sa spécificité diffère de la spécificité du son des trous noirs.
Pourquoi les étoiles explosent-elles?
Les trous noirs et les étoiles à neutrons se forment lorsque les étoiles massives cessent de briller et s'effondrent sur elles-mêmes. Les astrophysiciens pensent que ce processus est au cœur de tous les types courants d'explosions de supernova de type II. Les simulations de ces supernovae n'ont pas encore révélé pourquoi elles s'enflamment, mais on pense que l'écoute des sursauts d'ondes gravitationnelles émis par une vraie supernova fournit une réponse. En fonction de l'apparence des ondes de sursaut, de leur intensité, de leur fréquence de survenue et de leur corrélation avec les supernovae suivies par des télescopes électromagnétiques, ces données pourraient aider à exclure un tas de modèles existants.
À quelle vitesse l'univers se développe-t-il?
L'univers en expansion signifie que les objets éloignés qui s'éloignent de notre galaxie semblent plus rouges qu'ils ne le sont en réalité, car la lumière qu'ils émettent s'étire au fur et à mesure qu'ils se déplacent. Les cosmologistes estiment le taux d'expansion de l'univers en comparant le décalage vers le rouge des galaxies à leur distance par rapport à nous. Mais cette distance est généralement estimée à partir de la luminosité des supernovae de type Ia, et cette technique laisse beaucoup d'incertitudes.
Si plusieurs détecteurs d'ondes gravitationnelles dans le monde détectent des signaux provenant de la fusion des mêmes étoiles à neutrons, ensemble, ils peuvent estimer avec une précision absolue le volume du signal, ainsi que la distance à laquelle la fusion a eu lieu. Ils pourront également évaluer la direction, et avec elle, identifier la galaxie dans laquelle l'événement s'est produit. En comparant le décalage vers le rouge de cette galaxie avec la distance aux étoiles qui fusionnent, un taux indépendant d'expansion cosmique peut être obtenu, peut-être plus précis que ne le permettent les méthodes actuelles.
