Des oscillations dans l'espace-temps ont été découvertes un siècle après avoir été prédites par Einstein. Une nouvelle ère de l'astronomie commence.
Les scientifiques ont pu détecter les fluctuations de l'espace-temps causées par la fusion des trous noirs. Cela s'est produit cent ans après qu'Albert Einstein ait prédit ces «ondes gravitationnelles» dans sa théorie générale de la relativité, et cent ans après que les physiciens aient commencé à les rechercher.
Cette découverte historique a été rapportée aujourd'hui par des chercheurs de l'observatoire des ondes gravitationnelles interférométriques laser LIGO. Ils ont confirmé les rumeurs qui avaient entouré l'analyse du premier ensemble de données qu'ils avaient collecté pendant des mois. Les astrophysiciens disent que la découverte des ondes gravitationnelles permet un nouveau regard sur l'univers et permet de reconnaître des événements lointains qui ne peuvent pas être vus avec des télescopes optiques, mais vous pouvez ressentir et même entendre leurs faibles tremblements nous atteignant à travers l'espace.
«Nous avons détecté des ondes gravitationnelles. Nous l'avons fait! a annoncé David Reitze, directeur exécutif de l'équipe de recherche de 1000 membres, lors d'une conférence de presse à Washington à la National Science Foundation.
Les ondes gravitationnelles sont peut-être le phénomène le plus insaisissable des prédictions d'Einstein, le scientifique a discuté de ce sujet avec ses contemporains pendant des décennies. Selon sa théorie, l'espace et le temps forment une matière qui s'étire, qui se plie sous l'influence d'objets lourds. Ressentir la gravité signifie entrer dans les courbes de cette matière. Mais cet espace-temps peut-il trembler comme la peau d'un tambour? Einstein était confus, il ne savait pas ce que signifiaient ses équations. Et il a changé à plusieurs reprises de point de vue. Mais même les plus fervents partisans de sa théorie pensaient que les ondes gravitationnelles étaient de toute façon trop faibles pour être observées. Ils tombent en cascade après certains cataclysmes, et à mesure qu'ils se déplacent, ils s'étirent et contractent alternativement l'espace-temps. Mais au moment où ces ondes atteignent la Terre,ils s'étirent et compriment chaque kilomètre d'espace d'une infime fraction du diamètre d'un noyau atomique.
Détecteur d'observatoire LIGO à Hanford, Washington
Photo: REUTERS, Hangout
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Il a fallu de la patience et de la prudence pour détecter ces ondes. L'observatoire LIGO a lancé des faisceaux laser dans les deux sens le long des virages à angle droit de quatre kilomètres de deux détecteurs, l'un à Hanford, Washington et l'autre à Livingston, Louisiane. Cela a été fait à la recherche d'expansions et de contractions coïncidentes de ces systèmes lors du passage des ondes gravitationnelles. À l'aide de stabilisateurs de pointe, d'instruments à vide et de milliers de capteurs, les scientifiques ont mesuré les changements de longueur de ces systèmes, représentant seulement un millième de la taille d'un proton. Une telle sensibilité des instruments était impensable il y a cent ans. Cela semblait également incroyable en 1968, lorsque Rainer Weiss du Massachusetts Institute of Technology a conçu une expérience appelée LIGO.
«C'est un grand miracle qu'ils aient finalement réussi. Ils ont pu détecter ces minuscules vibrations! - a déclaré le physicien théoricien de l'Université de l'Arkansas, Daniel Kennefick, qui a écrit en 2007 le livre Voyager à la vitesse de la pensée: Einstein et la quête des ondes gravitationnelles.
Cette découverte a marqué le début d'une nouvelle ère dans l'astronomie des ondes gravitationnelles. On espère que nous aurons des idées plus précises sur la formation, la composition et le rôle galactique des trous noirs - ces boules de masse extrêmement denses qui déforment l'espace-temps de manière si dramatique que même la lumière ne peut pas s'en échapper. Lorsque les trous noirs se rapprochent et fusionnent, ils génèrent un signal d'impulsion - des oscillations spatio-temporelles qui augmentent en amplitude et en ton, puis se terminent brusquement. Les signaux qui peuvent être enregistrés par l'observatoire sont dans la gamme sonore - cependant, ils sont trop faibles pour être entendus par l'oreille nue. Vous pouvez recréer ce son en passant vos doigts sur les touches du piano. "Commencez par la note la plus basse et travaillez jusqu'à la troisième octave", a déclaré Weiss. "C'est ce que nous entendons."
Les physiciens sont déjà étonnés du nombre et de la force des signaux actuellement enregistrés. Cela signifie qu'il y a plus de trous noirs dans le monde qu'on ne le pensait auparavant. «Nous avons de la chance, mais j'ai toujours compté sur une telle chance», a déclaré l'astrophysicien de Caltech Kip Thorne, qui a créé LIGO avec Weiss et Ronald Drever, également de Caltech. "Cela se produit généralement lorsqu'une toute nouvelle fenêtre s'ouvre dans l'univers."
Après avoir écouté les ondes gravitationnelles, nous pouvons nous forger des idées complètement différentes sur l'espace, et peut-être découvrirons-nous des phénomènes cosmiques inimaginables.
«Je peux comparer cela au moment où nous avons pointé pour la première fois un télescope vers le ciel», a déclaré l'astrophysicienne théorique Janna Levin du Barnard College de l'Université de Columbia. "Les gens ont réalisé qu'il y avait quelque chose là-bas, et vous pouvez le voir, mais ils ne pouvaient pas prédire l'incroyable ensemble de possibilités qui existent dans l'univers." De même, a noté Levin, la découverte des ondes gravitationnelles pourrait montrer que l'univers est "plein de matière noire que nous ne pouvons pas simplement détecter avec un télescope".
L'histoire de la découverte de la première onde gravitationnelle a commencé le lundi matin de septembre, et elle a commencé par un coup. Le signal était si clair et fort que Weiss pensa: "Non, c'est un non-sens, il n'en sortira rien."
Intensité des émotions
Cette première onde gravitationnelle a balayé les détecteurs améliorés du LIGO - d'abord à Livingston et sept millisecondes plus tard à Hanford - lors d'une simulation tôt le matin du 14 septembre, deux jours avant le début officiel de la collecte de données.
Les détecteurs ont été «rodés» après une mise à niveau de cinq ans qui a coûté 200 millions de dollars. Ils sont équipés de nouveaux miroirs pour la suppression du bruit et d'un système de rétroaction actif pour supprimer les vibrations étrangères en temps réel. La mise à niveau a donné à l'observatoire amélioré un niveau de sensibilité plus élevé que l'ancien LIGO, qui a trouvé «zéro absolu et pur», comme le disait Weiss, entre 2002 et 2010.
Lorsque le signal fort est venu en septembre, les scientifiques d'Europe, où c'était le matin à ce moment-là, ont commencé à bombarder à la hâte leurs collègues américains avec des e-mails. Lorsque le reste du groupe s'est réveillé, la nouvelle s'est répandue très rapidement. Presque tout le monde était sceptique à ce sujet, a déclaré Weiss, surtout quand ils ont vu le signal. C'était un vrai classique des manuels scolaires, et certaines personnes ont donc pensé que c'était un faux.
Les idées fausses dans la recherche des ondes gravitationnelles se sont répétées à plusieurs reprises depuis la fin des années 1960, lorsque Joseph Weber de l'Université du Maryland pensait avoir trouvé des vibrations résonnantes dans un cylindre en aluminium avec des capteurs en réponse aux ondes. En 2014, une expérience appelée BICEP2 a eu lieu, selon les résultats de laquelle il a été annoncé que les ondes gravitationnelles d'origine ont été détectées - les oscillations spatio-temporelles du Big Bang, qui se sont maintenant étirées et figées en permanence dans la géométrie de l'univers. Les scientifiques de l'équipe BICEP2 ont annoncé leur découverte en grande pompe, mais leurs résultats ont ensuite été vérifiés de manière indépendante, au cours de laquelle il s'est avéré qu'ils avaient tort et que ce signal provenait de la poussière cosmique.
Lorsque le cosmologiste Lawrence Krauss de l'Arizona State University a entendu parler de la découverte de l'équipe LIGO, il a d'abord pensé que c'était un "truc aveugle". Pendant le fonctionnement de l'ancien observatoire, des signaux simulés étaient secrètement insérés dans des flux de données pour tester la réponse, et la plupart des membres de l'équipe ne le savaient pas. Quand Krauss a appris d'une source bien informée que cette fois il ne s'agissait pas de "farce aveugle", il pouvait difficilement contenir son excitation joyeuse.
Le 25 septembre, il a tweeté à ses 200 000 followers: «Rumeurs d'une onde gravitationnelle détectée sur le détecteur LIGO. Incroyable si c'est vrai. Je vais vous donner les détails, si ce n'est pas un tilleul. " Ceci est suivi d'une entrée le 11 janvier: «Des rumeurs antérieures sur LIGO ont été confirmées par des sources indépendantes. Suivez l'actualité. Peut-être que des ondes gravitationnelles sont découvertes!"
La position officielle des scientifiques était la suivante: ne pas diffuser le signal reçu tant qu'il n'y a pas de certitude à cent pour cent. Thorne, pieds et poings liés par cet engagement au secret, n'a même rien dit à sa femme. «J'ai célébré seul», dit-il. Pour commencer, les scientifiques ont décidé de revenir au tout début et d'analyser tout dans les moindres détails afin de savoir comment le signal se propageait à travers les milliers de canaux de mesure de différents détecteurs, et de comprendre s'il y avait quelque chose d'étrange au moment où le signal a été détecté. Ils n'ont rien trouvé d'anormal. Ils ont également éliminé les pirates qui auraient dû le mieux connaître les milliers de flux de données au cours de l'expérience. «Même lorsque l'équipe intervient, ils ne sont pas assez parfaits et laissent beaucoup d'empreintes de pas dans leur sillage», a déclaré Thorne. "Et il n'y avait aucune trace ici."
Dans les semaines qui ont suivi, ils ont entendu un autre signal plus faible.
Les scientifiques ont analysé les deux premiers signaux, et ils en ont reçu de plus en plus. En janvier, ils ont présenté leurs travaux de recherche dans Physical Review Letters. Ce numéro est sur Internet aujourd'hui. Selon leurs estimations, la signification statistique du premier signal, le plus puissant, dépasse le «5-sigma», ce qui signifie que les chercheurs sont confiants à 99,9999% dans son authenticité.
Écouter la gravité
Les équations de la relativité générale d'Einstein sont si complexes qu'il a fallu 40 ans à la plupart des physiciens pour s'entendre: oui, les ondes gravitationnelles existent et peuvent être détectées - même théoriquement.
Au début, Einstein pensait que les objets ne pouvaient pas libérer d'énergie sous forme de rayonnement gravitationnel, mais il a ensuite changé de point de vue. Dans son travail historique, écrit en 1918, il a montré ce que les objets peuvent faire: des systèmes en forme d'haltères qui tournent simultanément autour de deux axes, par exemple, des binaires et des supernovae qui explosent comme des pétards. Ce sont eux qui peuvent générer des ondes dans l'espace-temps.
Modèle informatique illustrant la nature des ondes gravitationnelles dans le système solaire
Photo: REUTERS, document
Mais Einstein et ses collègues ont continué à hésiter. Certains physiciens ont fait valoir que même si les ondes existent, le monde vibre avec elles et il sera impossible de les ressentir. Ce n'est qu'en 1957 que Richard Feynman a clos la question en démontrant dans une expérience de pensée que si les ondes gravitationnelles existent, elles peuvent théoriquement être détectées. Mais personne ne savait à quel point ces systèmes d'haltères étaient communs dans l'espace extra-atmosphérique, ni à quel point les vagues résultantes étaient fortes ou faibles. «En fin de compte, la question était: pourrons-nous jamais les trouver?» Dit Kennefick.
En 1968, Rainer Weiss était un jeune professeur au Massachusetts Institute of Technology et a été chargé d'enseigner un cours de relativité générale. En tant qu'expérimentateur, il en savait peu à ce sujet, mais soudain, il y eut des nouvelles de la découverte par Weber des ondes gravitationnelles. Weber a construit trois détecteurs de résonance de la taille d'un bureau en aluminium et les a placés dans différents États américains. Maintenant, il a dit que les trois détecteurs ont enregistré "le son des ondes gravitationnelles".
On a demandé aux élèves de Weiss d'expliquer la nature des ondes gravitationnelles et d'exprimer leur opinion sur le message émis. En étudiant les détails, il a été étonné de la complexité des calculs mathématiques. «Je ne pouvais pas comprendre ce que faisait Weber, comment les capteurs interagissaient avec l'onde gravitationnelle. Je me suis assis pendant un long moment et je me suis demandé: «Quelle est la chose la plus primitive à laquelle je puisse penser pour détecter les ondes gravitationnelles?» Et puis une idée m'est venue à l'esprit, que j'appelle la base conceptuelle de LIGO.
Imaginez trois objets dans l'espace-temps, disons, des miroirs aux coins d'un triangle. "Envoyez un signal lumineux de l'un à l'autre", a déclaré Weber. "Voyez combien de temps il faut pour passer d'une masse à une autre et vérifiez si le temps a changé." Il s'avère, a noté le scientifique, que cela peut être fait rapidement. «Je l'ai confié à mes étudiants dans le cadre d'une mission scientifique. Littéralement, tout le groupe a pu faire ces calculs."
Au cours des années suivantes, lorsque d'autres chercheurs ont essayé de reproduire les résultats de l'expérience de Weber avec un détecteur résonnant, mais ont constamment échoué (ce qu'il a observé n'est pas clair, mais ce n'étaient pas des ondes gravitationnelles), Weiss a commencé à préparer une expérience beaucoup plus précise et ambitieuse: l'interféromètre à ondes gravitationnelles. Le faisceau laser se réfléchit sur trois miroirs en forme de L pour former deux faisceaux. L'espacement des pics et des creux des ondes lumineuses indique avec précision la longueur des genoux «G» qui créent les axes X et Y de l'espace-temps. Lorsque la balance est stationnaire, les deux ondes lumineuses rebondissent sur les coins et s'annulent. Le signal dans le détecteur est nul. Mais si une onde gravitationnelle traverse la Terre, elle s'étend sur la longueur d'une épaule de la lettre «G» et comprime la longueur de l'autre (et vice versa à son tour). La discordance des deux faisceaux lumineux crée un signal dans le détecteur, montrant de légères fluctuations dans l'espace-temps.
Au début, les collègues physiciens étaient sceptiques, mais l'expérience a rapidement trouvé un soutien en la personne de Thorne, dont le groupe de théoriciens de Caltech a étudié les trous noirs et d'autres sources potentielles d'ondes gravitationnelles, ainsi que les signaux qu'ils génèrent. Thorne s'est inspiré de l'expérience de Weber et des efforts similaires des scientifiques russes. Après avoir parlé en 1975 lors d'une conférence avec Weiss, «j'ai commencé à croire que la détection des ondes gravitationnelles serait un succès», a déclaré Thorne. «Et je voulais que Caltech soit impliqué dans cela aussi. Il s'est arrangé avec l'institut pour embaucher l'expérimentateur écossais Ronald Driever, qui a également annoncé qu'il construirait un interféromètre à ondes gravitationnelles. Au fil du temps, Thorne, Driver et Weiss ont commencé à travailler en équipe, chacun résolvant sa propre part d'innombrables problèmes en vue d'une expérience pratique. Le trio a formé LIGO en 1984, et lorsque des prototypes ont été construits et qu'une équipe grandissante a commencé, ils ont reçu un financement de 100 millions de dollars de la National Science Foundation au début des années 1990. Des plans ont été élaborés pour la construction d'une paire de détecteurs géants en forme de L. Une décennie plus tard, les détecteurs ont commencé à fonctionner.
À Hanford et Livingston, au centre de chacun des quatre kilomètres de virages des détecteurs, il y a un vide, grâce auquel le laser, son faisceau et ses miroirs sont isolés au maximum des vibrations constantes de la planète. Pour en assurer encore plus, les scientifiques de LIGO surveillent leurs détecteurs pendant leur fonctionnement avec des milliers d'instruments, mesurant tout ce qu'ils peuvent: activité sismique, pression atmosphérique, foudre, rayons cosmiques, vibrations des équipements, sons dans la zone du faisceau laser, etc. Ils filtrent ensuite ces bruits de fond étrangers de leurs données. L'essentiel est peut-être qu'ils ont deux détecteurs, ce qui vous permet de comparer les données reçues, en les vérifiant pour la présence de signaux coïncidents.
À l'intérieur du vide créé, même lorsque les lasers et les miroirs sont complètement isolés et stabilisés, "des choses étranges se produisent tout le temps", explique Marco Cavaglià, porte-parole adjoint du projet LIGO. Les scientifiques doivent suivre ces "poissons rouges", "fantômes", "monstres marins incompréhensibles" et autres phénomènes vibratoires étrangers, en découvrant leur source afin de l'éliminer. Un cas difficile s'est produit pendant la phase de validation, a déclaré Jessica McIver, chercheuse scientifique au sein de l'équipe LIGO, qui étudie ces signaux et interférences étrangers. Une série de bruits périodiques à fréquence unique est souvent apparue dans les données. Quand elle et ses collègues ont converti les vibrations des miroirs en fichiers audio, «le téléphone sonnait distinctement», a déclaré McIver. «Il s'est avéréque c'étaient les annonceurs des communications qui appelaient au téléphone à l'intérieur de la salle laser."
Au cours des deux prochaines années, les scientifiques continueront d'améliorer la sensibilité des détecteurs de l'observatoire modernisé des ondes gravitationnelles interférométriques laser LIGO. Et en Italie, un troisième interféromètre, appelé Advanced Virgo, commencera à fonctionner. Une réponse que les données obtenues aideront à donner est la façon dont les trous noirs se forment. Sont-ils le produit de l'effondrement des premières étoiles massives ou sont-ils le résultat de collisions au sein d'amas d'étoiles denses? «Ce ne sont que deux hypothèses, je suppose qu'il y en aura plus lorsque tout le monde se calmera», dit Weiss. Alors que LIGO commence à accumuler de nouvelles statistiques au cours de ses prochains travaux, les scientifiques commenceront à écouter des histoires sur l'origine des trous noirs que l'espace leur chuchotera.
En forme et en taille, le premier signal pulsé le plus fort provenait de 1,3 milliard d'années-lumière d'où, après une éternité de danse lente, sous l'influence d'une attraction gravitationnelle mutuelle, deux trous noirs, chacun environ 30 fois la masse du soleil, ont finalement fusionné. Les trous noirs tournaient de plus en plus vite, comme un tourbillon, se rapprochant progressivement. Puis il y a eu une fusion, et en un clin d'œil ils ont libéré des ondes gravitationnelles d'une énergie comparable à celle des trois soleils. Cette fusion est devenue le phénomène énergétique le plus puissant jamais enregistré.
«C'est comme si nous n'avions jamais vu l'océan pendant une tempête», a déclaré Thorne. Il attend cette tempête dans l'espace-temps depuis les années 1960. Le sentiment que Thorne ressentit lorsque les vagues roulèrent n'était pas exactement de l'excitation, dit-il. C'était autre chose: un sentiment de profonde satisfaction.
