Il y a un milliard d'années (enfin, donner ou prendre) dans une galaxie lointaine, très lointaine, deux trous noirs ont exécuté un ballet cosmique pas de deux. Ils se sont encerclés, se rapprochant progressivement sous l'influence de la gravité mutuelle, jusqu'à ce qu'ils se heurtent et fusionnent. À la suite d'une telle collision, une libération d'énergie colossale s'est produite, équivalente à trois fois la masse de notre soleil. La convergence, la collision et la fusion de deux trous noirs ont plongé le continuum espace-temps environnant dans le désarroi et ont envoyé de puissantes ondes gravitationnelles dans toutes les directions à la vitesse de la lumière.
Au moment où ces ondes ont atteint notre Terre (et c'était le matin du 14 septembre 2015), le rugissement autrefois puissant aux proportions cosmiques s'est transformé en un gémissement à peine audible. Néanmoins, deux énormes machines de plusieurs kilomètres de long (détecteurs de l'Observatoire interférométrique laser des ondes gravitationnelles PIOGV), situées dans les états de Louisiane et de Washington, ont enregistré des traces facilement reconnaissables de ces ondes. Mardi, trois chefs de projet PIOGV de longue date - Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne - ont reçu le prix Nobel de physique pour cette réalisation.
Cette découverte se prépare depuis longtemps, à la fois à l'échelle du temps humain et sur l'horloge astronomique. Le Dr Weiss, le Dr Thorn et le Dr Barish et leurs collègues travaillent sur leur projet depuis plusieurs décennies. Des milliers de personnes travaillant sur les cinq continents ont participé à la découverte de 2015. Ce projet était un exemple de vision stratégique de l'avenir des scientifiques et des politiques, qui est presque aussi éloignée de nous que ces trous noirs en collision.
À la fin des années 1960, le Dr Weiss a donné un cours de physique de haut niveau au Massachusetts Institute of Technology. Quelques années plus tôt, le physicien Joseph Weber avait annoncé qu'il avait détecté des ondes gravitationnelles à l'aide d'un instrument avec des antennes cylindriques en aluminium. Cependant, Weber n'a pas réussi à convaincre les sceptiques. Le Dr Weiss a confié à ses étudiants un devoir pour trouver un autre moyen de détecter les ondes. (Étudiants, prenez note: parfois les devoirs sont le signe avant-coureur d'un prix Nobel.) Et si vous essayez de détecter les ondes gravitationnelles en étudiant attentivement les plus petits changements dans l'interférence des faisceaux laser qui voyagent le long de différents chemins, puis vous reconnectez au détecteur?
En théorie, les ondes gravitationnelles devraient s'étirer et se contracter dans l'espace, le traversant. Le Dr Weiss a suggéré qu'une telle perturbation devrait modifier la longueur de trajet de l'un des faisceaux laser, en raison de laquelle les deux faisceaux perdront la synchronisation au moment où ils atteindront le détecteur, et à partir de la différence de désynchronisation, il sera possible de déterminer les modèles d'interférence.
L'idée était audacieuse et révolutionnaire. Et c'est le moins qu'on puisse dire. Pour capturer des ondes gravitationnelles d'amplitude attendue à l'aide de la technique d'interférence, les physiciens ont dû détecter une différence de distance qui était d'une partie sur mille milliards de milliards. C'est comme mesurer la distance entre la Terre et le Soleil à l'échelle d'un seul atome, tout en surveillant toutes les autres sources de vibrations et d'erreur qui peuvent supprimer un signal aussi faible.
Sans surprise, le Dr Thorne, qui est devenu l'un des lauréats du prix Nobel cette année, a posé le problème en tant que devoir à domicile dans son manuel de 1973. Il a amené les étudiants à la conclusion que l'interférométrie comme méthode de détection des ondes gravitationnelles n'est pas du tout bonne. (D'accord, messieurs, étudiants, parfois vous n'avez pas à faire vos devoirs.) Mais avec une étude plus approfondie de ce problème, le Dr Thorne est devenu l'un des plus fervents partisans de la méthode interférométrique.
Convaincre le Dr Thorn était plus facile que d'obtenir du financement et d'attirer des étudiants vers le travail. La National Science Foundation a rejeté en 1972 la première proposition du Dr Weiss. En 1974, il a fait une nouvelle proposition et a reçu des fonds pour l'étude de conception. En 1978, le Dr Weiss notait dans sa demande de financement: "Petit à petit, je me suis rendu compte que ce genre de recherche est mieux fait par des scientifiques incontestés et peut-être stupides, ainsi que par de jeunes étudiants diplômés avec des inclinations aventureuses."
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La portée du projet s'est progressivement élargie. Les bras énormes de l'interféromètre devaient maintenant s'étendre sur plusieurs kilomètres, et non des mètres, et être équipés des optiques et des électroniques les plus modernes. Dans le même temps, le budget et l'équipe de recherche ont augmenté. La mise en œuvre de ce projet complexe exigeait désormais non seulement une connaissance approfondie de la physique, mais également des compétences politiques. À un moment donné, les tentatives de construction de l'un de ces grands détecteurs dans le Maine ont échoué en raison de rivalités politiques et d'accords en coulisse avec des apparatchiks du Congrès. Cela a appris aux scientifiques qu'il y a plus d'interférences que les faisceaux laser.
Étonnamment, la National Science Foundation a approuvé le financement du PIOGV en 1992. C'était le projet le plus cher de la fondation, tel qu'il reste à ce jour. Le moment était venu: après l'effondrement de l'Union soviétique à la fin de 1991, les physiciens ont immédiatement réalisé que la justification de la guerre froide pour la recherche scientifique au Congrès n'était plus valable.
C'est à cette époque que les tactiques budgétaires aux États-Unis sont entrées dans une nouvelle phase. Or, lors de la planification de projets à long terme, il fallait prendre en compte les fréquentes menaces de suspension des activités des organes de l'Etat (parfois elles étaient menées). Cela a compliqué la situation budgétaire car l'accent était désormais mis sur les projets à court terme qui promettaient des résultats rapides. Si un projet comme PIOGV était proposé aujourd'hui, il est difficile d'imaginer qu'il recevrait une approbation.
Cependant, PIOGV démontre certains avantages d'une approche à long terme. Ce projet illustre la relation étroite entre la science et l'éducation qui va bien au-delà des devoirs. De nombreux étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs de l'équipe PIOGV sont devenus co-auteurs d'un article historique sur les ondes détectées. Depuis 1992, près de 600 mémoires ont été rédigés dans le cadre de ce projet aux seuls États-Unis, qui ont été préparés par des scientifiques de 100 universités et 37 États. La recherche scientifique est allée bien au-delà de la physique et englobe désormais des domaines tels que la conception technique et le développement de logiciels.
PIOGV montre ce que nous pouvons réaliser en regardant au-delà de l'horizon et en évitant de nous accrocher aux budgets et rapports annuels. En construisant des machines hautement sensibles, en éduquant de jeunes scientifiques et ingénieurs intelligents et dévoués, nous pouvons tester notre compréhension fondamentale de la nature avec une précision sans précédent. De tels efforts conduisent souvent à des améliorations dans les technologies utilisées dans la vie quotidienne: le système de navigation GPS a été créé dans le cadre de travaux visant à tester la théorie de la relativité générale d'Einstein. Certes, de telles découvertes inattendues sont difficiles à prévoir. Mais avec de la patience, de la persévérance et de la chance, nous pouvons regarder dans les profondeurs les plus profondes de l'univers.
David Kaiser est professeur et maître de conférences en physique et histoire des sciences au Massachusetts Institute of Technology. Avec W. Patrick McCray, il a édité Groovy Science: Knowledge, Innovation, and the American Counterculture.
