La « lumière gravitationnelle » (4/4) : le futur est dans l’espace

Suite du billet précédent : L’événement GW150914

Pour détecter des ondes gravitationnelles de moindre amplitude ou de plus basse fréquence que celles accessibles à la génération d’interféromètres au sol comme LIGO et VIRGO, il faudra envoyer les détecteurs dans l’espace. C’est tout l’enjeu du projet phare de l’ESA baptisé eLISA (bel acronyme signifiant en anglais european laser interferometric space antenna, soit « antenne spatiale interférométrique à laser »). Il s’agit d’expédier trois satellites en orbite autour du Soleil, disposés chacun aux sommets d’un triangle équilatéral de 5 millions de kilomètres de côté et reliés par des faisceaux laser. Sur une aussi grande longueur, le passage d’une onde gravitationnelle de basse fréquence devrait engendrer une fluctuation significative de la distance entre les satellites, mesurable par les lasers embarqués. Reste bien sûr à stabiliser les distances entre les satellites avec une précision jamais atteinte, ce qui suppose de compenser par exemple la pression du vent solaire et autres influences parasites. C’est pour tester cet élément décisif que l’Agence Spatiale Européeenne a lancé fin 2015 la sonde « d’éclairage » LISAPathfinder, qui en janvier 2016 est parvenue au point de Lagrange L1, à 1,5 millions de km de la Terre et a libéré deux masses-étalon séparées seulement de 38 cm.  Il s’agit de s’assurer qu’en l’absence d’onde gravitationnelle, cette distance ne varie pas de plus d’un millionième de l’épaisseur d’un cheveu humain, auquel cas le passage d’une onde gravitaitonnelle serait détectable.   Si tout fonctionne, l’interféromètre complet eLISA pourrait être placé en orbite en … 2034. Un peu de patience est donc requise…

Le schéma de principe de l’observatoire eLISA consiste en trois satellites en formation équilatérale, séparés chacun de 5 millions de kilomètres, l’ensemble tournant autour du Soleil.

Le schéma de principe de l’observatoire eLISA consiste en trois satellites en formation équilatérale, séparés chacun de 5 millions de kilomètres, l’ensemble tournant autour du Soleil.

eLISA et les interféromètres au sol LIGO et VIRGO seront complémentaires ; leurs domaines de fréquences n’étant pas les mêmes, les sources observables seront différentes. Affranchi des ondes sismiques, eLISA travaillera dans les basses fréquences, comprises entre 0,0001 et 1 hertz – domaine intéressant pour capter les trous noirs massifs.

Les instruments au sol VIRGO et LIGO ne seront pas rendus obsolètes par l’interféromètre spatial LISA, car leurs domaines de fréquences et de sensibilité seront différents. VIRGO et LIGO détecteront les effondrements de supernovae en trous noirs, et les coalescences d’étoiles à neutrons et de trous noirs stellaires. LISA fonctionnera dans la gamme des sources X binaires situées dans notre galaxie, et celle des couples de trous noirs géants dans les galaxies lointaines.
Les instruments au sol VIRGO et LIGO ne seront pas rendus obsolètes par l’interféromètre spatial LISA, car leurs domaines de fréquences et de sensibilité seront différents. VIRGO et LIGO détecteront les effondrements de supernovae en trous noirs, et les coalescences d’étoiles à neutrons et de trous noirs stellaires. LISA fonctionnera dans la gamme des sources X binaires situées dans notre galaxie, et celle des couples de trous noirs géants dans les galaxies lointaines.

L’observation d’une coalescence de trous noirs massifs par eLISA sera spectaculaire. Pour un couple de trous noirs de 1 million de masses solaires chacun, eLISA surveillera les 40 derniers jours de leur phase spiralante, soit 600 orbites, et l’amplitude du signal atteindra 10–17 à la distance fabuleuse de 3 milliards d’années-lumière. Environ 10 000 fois supérieur au bruit, cet intense signal fournira une localisation extraordinairement précise d’un événement, et l’identification optique de l’amas de galaxies où il sera produit déterminera avec une précision du pour cent les paramètres clés des modèles cosmologiques, comme le taux d’expansion de l’Univers et sa densité d’énergie moyenne. On pourra alors confirmer ou non si notre Univers est essentiellement rempli d’une forme d’« énergie noire », dont l’effet accélérateur sur l’expansion cosmique modifierait le destin de l’Univers tout entier.

Malgré l’observation de quelques galaxies géantes à double noyau actif associées vraisemblablement à des couples de trous noirs géants, le phénomène de fusion de tels trous noirs massifs se produit rarement. En revanche, tapi au cœur d’une galaxie, un trou noir massif célibataire capture plus souvent des étoiles. Nous avons vu au chapitre précédent que, lorsqu’elles sont de type solaire, c’est-à-dire peu denses, les étoiles sont détruites par les forces de marée en s’approchant du trou noir. Cependant, les astres compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs de masse stellaire perdurent sans être brisés et chutent en spiralant jusqu’à l’horizon du trou noir. eLISA détectera les ondes gravitationnelles émises par ce phénomène et assistera à la dernière année de la vie d’une étoile compacte chutant en spirale dans un trou noir de 1 million de masses solaires, et ce jusqu’à une distance de plusieurs centaines de millions d’années-lumière.

La galaxie active Markarian 315 possède un noyau double, résultant de la fusion de deux galaxies. Chaque noyau abrite vraisemblablement un trou noir massif, en orbite l’un autour de l’autre. Actuellement distants de 6 000 années-lumière, ils finiront par fusionner et par produire une bouffée d’ondes gravitationnelles de forte amplitude mais de basse fréquence, détectable par un interféromètre spatial.
La galaxie active Markarian 315 possède un noyau double, résultant de la fusion de deux galaxies. Chaque noyau abrite vraisemblablement un trou noir massif, en orbite l’un autour de l’autre. Actuellement distants de 6 000 années-lumière, ils finiront par fusionner et par produire une bouffée d’ondes gravitationnelles de forte amplitude mais de basse fréquence, détectable par un interféromètre spatial.

L’enregistrement du signal gravitationnel durant cette année de chute permettra de cartographier la structure de l’espace-temps autour du trou noir massif. On comparera alors cette structure observée à la solution mathématique de Kerr qui décrit les trous noirs en rotation. Cette solution prédit une forme de la courbure de l’espace-temps spécifique aux trous noirs : ni étoile ni amas d’étoiles ne peuvent courber l’espace-temps de cette manière. On pourra alors conclure définitivement à l’existence des trous noirs dans l’Univers.

L’histoire récente de l’astronomie a prouvé que, chaque fois que l’homme a scruté le ciel par d’autres yeux que les siens, de nouvelles merveilles lui sont apparues, le forçant à réviser ses conceptions et améliorant un peu plus sa compréhension de l’Univers.

Avec la détection de l’événement GW150914 en septembre 2015, la fenêtre gravitationnelle vient juste d’être ouverte. Maintenant que les premiers signaux directs sont captés, l’information sur le mouvement et la nature des sources reste encore noyée dans beaucoup de bruit parasite. Mais, animés de la certitude que l’astronomie gravitationnelle est celle des siècles futurs, nous lancerons bientôt dans l’espace de gigantesques interféromètres parfaitement isolés des secousses telluriques et de l’agitation humaine…

11 réflexions sur “ La « lumière gravitationnelle » (4/4) : le futur est dans l’espace ”

  1. C’est une aventure fantastique, exaltante, encourageante, belle et spirituelle. Et en même temps c’est aussi tout le contraire ailleurs. Il y a tout dans l’univers, le pire et le meilleur, et c’est étrange et merveilleux de pouvoir accomplir le meilleur, de réussir des gestes qui peuvent se déployer du fond d’un rêve jusqu’entre les étoiles…

    1. Certains jours, on a l’impression qu’il y a de l’intelligence sur Terre. Merci aux chercheurs et surtout à ceux qui communiquent les découvertes.

  2. Je me demande quel type de corrélation faut-il espérer entre la carte du rayonnement cosmique gravitationnel et celle du rayonnement électromagnétique. Faut-il aussi espérer une polarisation du rayonnement gravitationnel ? C’est aussi intéressant de noter que notre propre galaxie ne sera plus un obstacle opaque, nous liberant de la necessité des extrapolations arrisquées qu’on pratique actuellement.
    Merci, Dr. Luminet, par vos explications, toujours si faciles à comprendre.
    Manuel Cabedo
    Barcelone

    1. Le rayonnement gravitationnel d’origine primordiale (engendré par exemple peu après le big bang dans des transitions de phase violentes de type inflation) sont censées produire une polarisation du rayonnement électromagnétique émis lors du découplage matière-rayonnement 380 000 ans après le Big bang et que nous captons aujourd’hui sous forme du rayonnement cosmologique fossile. Cette polarisation a cru avoir été trouvée en 2014 par l’expérience américaine BICEP2 et annoncée à grand renfort de publicité, mais les données plus précises du télescope européen Planck sur la polarisation ont invalidé leur interprétation. Il faudra attendre des expériences bien plus fines pour mesurer les ondes gravitationnelles cosmologiques.

  3. Tout d’abord merci mr Luminet pour toutes ces explications. Toutefois j’aurai voulu une précision sur la chronologie de l’hypothèse de l’univers ouvert avec proton stable. Dans » le destin de l’univers » vous indiquez qu’il faut 10 exp 1500 années pour arriver à l’âge de fer et  » seulement « 10 exp 1076 ans pour l’âge des trous noir qui semble devoir se produire après, même si entre trous noir et effet tunnel je suppose que la ligne du temps est grandement perturbée j’avoue ne pas comprendre (ce qui au contraire n’est pas surprenant), d’avance merci.

    1. Bonjour et merci de me lire. Il y a peut-être une coquille typographique dans l’édition que vous avez, car l’âge des trous noirs n’est pas 10 exp 1076 ans, mais 10 exp(10exp76) ans, ce qui change du tout au tout!

      1. Merci, effectivement petite coquille dans l’édition folio essai. En tout cas cela me laisse le temps de lire d’autres de vos œuvres. 🙂
        Cordialement

  4. Un immense merci, Monsieur Luminet, de m’ouvrir les yeux sur ce champ de possibles. Je vous ai découvert lors d’une émission radio, et j’ai de plus en plus l’impression que la lyre et le télescope sont finalement deux merveilles, aptes à nous faire découvrir le « froufrou des étoiles ». Je découvre votre blog et suis émerveillée. Je vais continuer à lire vos publications avec attention; l’émerveillement en ces heures sombres est si rare et précieux qu’il demande à être prolongé. Merci pour cette appréhension de l’espace en constante expansion.

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