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La « lumière » gravitationnelle (3/4) : l’événément GW150914

Suite du billet précédent : De la barre à l’interféromètre

L’annonce historique de la première détection directe des ondes gravitationnelles a bel et bien été faite le jeudi 11 février 2016 par les équipes de chercheurs travaillant sur les interféromètres LIGO et VIRGO.

Il y a eu tant d’articles, billets de blog et autres interviews délivrés depuis dans les médias du monde entier que je ne vais pas développer longuement mon point de vue sur la découverte elle-même. Son intérêt majeur (on fera l’impasse sur les titres idiots du genre « Einstein avait raison ») n’est pas la détection en soi, prédite et attendue, mais:
1/ la confirmation directe de l’existence des trous noirs, vivement décriée par certains,
2/ non pas la fin d’une grande aventure scientifique comme c’était le cas avec la découverte du boson de Higgs-Englert (qui mettait un point final au modèle standard de la physique des particules, sans aller au-delà), mais au contraire le début d’une nouvelle ère pour l’astronomie expérimentale. Les fabuleuses prouesses technologiques mises en œuvre dans les interféromètres LIGO et VIRGO ont permis d’ouvrir enfin la fenêtre de l’astronomie gravitationnelle, avec vue à venir sur d’immenses territoires encore inconnus.

Au moment de l’annonce j’étais en voyage au Maroc. Je n’ai donc pas  pu assister à la conférence de presse, encore moins répondre aux nombreuses demandes d’interviews pour la presse écrite, la radio et la télévision.  Peu importe, de nombreux chercheurs l’ont fait et très bien fait, notamment mon ancien collègue à l’Observatoire de Paris Thibault Damour dans cette excellente interview pour le journal Le Monde. Ayant été l’un des premiers théoriciens à calculer les courbes d’émission gravitationnelle issue de la coalescence de trous noirs, Damour mériterait de figurer sur la liste des physiciens nobélisables, au même titre que son homologue américain Kip Thorne ou que le directeur du programme LIGO, David Reitze. Hélas, l’histoire montre que les prix Nobel de physique sont rarement donnés aux théoriciens qui prédisent tel ou tel phénomène, ils sont très généralement attribués aux expérimentateurs qui confirment la prédiction (à cet égard  le prix Nobel attribué à Higgs et Englert a été une heureuse exception).

Pour ma modeste part, je n’ai jamais travaillé directement sur le sujet des ondes gravitationnelles, mais je l’ai souvent évoqué dans des interviews (ci-dessous, sur ma chaîne youtube)

Pour en savoir beaucoup plus...

ainsi que dans mes articles et livres de vulgarisation. J’ai mis à profit les deux nuits blanches passées dans mon hôtel de Casablanca pour rédiger les deux billets de blogs précédents, ici et ici, qui reprenaient pour l’essentiel (en les actualisant légèrement) des éléments du chapitre que j’avais consacré à « La lumière gravitationnelle » dans mon livre de 2006, Le Destin de l’Univers : trous noirs et énergie sombre. Dans ce troisième billet je quitte le livre pour délivrer mes premières impressions sur la découverte annoncée jeudi. Dans un quatrième et dernier billet, je discuterai du futur de l’astronomie gravitationnelle. Continuer la lecture

La « lumière » gravitationnelle (2/4) : de la barre à l’interféromètre

Suite du billet précédent  Principes de base

Nouvelles lucarnes

Un mot un seul mot suffit
à perturber l’espace
Jean-Marc Debenedetti

Pour capter la lumière, il faut des télescopes. Comment concevoir un télescope gravitationnel ?

Le principe est simple. De même que les ondes électromagnétiques font vibrer une antenne réceptrice, les ondes gravitationnelles font vibrer d’une certaine façon la matière qu’elles rencontrent ; les « rides de courbure » faisant légèrement onduler le tissu élastique de l’espace-temps allongent ou raccourcissent les distances sur leur passage. Si, par exemple, le détecteur est un bloc de matière solide, ses différentes parties sont enclines à se mouvoir dans différentes directions à la traversée de l’onde gravitationnelle. Remarquons que, en raison de la traversée permanente d’ondes gravitationnelles, aucun corps matériel, aussi rigide soit-il, n’est strictement indéformable.

Une collision de deux trous noirs stellaires au centre de la Galaxie se traduirait par un déplacement de 10–14 millimètre des extrémités d’un détecteur ayant la forme d’une barre de 1 mètre de long. L’amplitude correspondante, qui est le rapport entre le déplacement et la taille du détecteur, est donc de 10–17. Le même phénomène se déroulant dans l’amas de galaxies de la Vierge, à 60 millions d’années-lumière, ne nous offrirait plus qu’une amplitude de 10–20.

À titre de comparaison, lorsqu’une onde gravitationnelle de cette nature traverse notre planète, elle ne fait varier le diamètre du globe (12 700 kilomètres) que de la largeur d’un atome. La construction d’un détecteur d’ondes gravitationnelles est donc un véritable défi technologique.

Joseph Weber et sa barre gravitationnelle en 1965
Joseph Weber et sa barre gravitationnelle en 1965

En 1965, Joseph Weber fit construire à l’université du Maryland un grand cylindre d’aluminium de 50 centimètres de diamètre pour 2 mètres de long, censé répondre par une oscillation de ses extrémités aux ondes gravitationnelles en provenance du centre galactique. Quand une onde gravitationnelle traverse le cylindre, l’effet de marée qui en résulte tend à éloigner puis à attirer les deux extrémités de la barre métallique. Weber crut avoir observé des effets positifs et l’annonça avec fracas ; mais, comme l’ont montré diverses expériences analogues, réalisées par la suite dans plusieurs pays (dont une, en France, à l’observatoire de Meudon), il s’agissait d’une interprétation incorrecte d’erreurs expérimentales. En effet, une explosion de supernova dans le centre galactique produirait au mieux une onde d’amplitude 10–18, alors que la meilleure des barres de Weber ne pourrait détecter qu’une amplitude 10 milliards de fois plus grande. De plus, la détection gravitationnelle d’une supernova dans le centre de la Galaxie relèverait d’un hasard invraisemblable : dans l’ensemble de la Galaxie, il ne doit pas exploser plus d’une supernova tous les dix ans, et l’impulsion gravitationnelle d’une explosion ne dure qu’une fraction de seconde. Continuer la lecture

La « lumière » gravitationnelle (1/4) : principes de base

Je voudrais poser une question à monsieur Einstein, à savoir, à quelle vitesse l’action de la gravitation se propage-t-elle dans votre théorie ?
Max Born, 1913

Dans la théorie de Newton, la gravitation est une force agissant instantanément entre les corps massifs. Cette idée était inadmissible aux yeux de nombreux physiciens, Newton compris, et un siècle plus tard Laplace proposait une modification de la théorie dans laquelle l’interaction gravitationnelle se propageait à vitesse finie. L’idée fut vite abandonnée, car elle soulevait immédiatement une question à laquelle personne ne savait répondre : lorsqu’un corps massif est violemment perturbé, le champ gravitationnel qu’il engendre doit s’ajuster de proche en proche à la nouvelle configuration du corps ; sous quelle forme se propage le réajustement ?

La théorie de la relativité générale d’Einstein permet d’organiser en un schéma cohérent les intuitions sur la propagation de la gravitation. Einstein s’était demandé si une masse en mouvement accéléré pouvait rayonner des ondes de gravité, de la même façon qu’une charge électrique en mouvement accéléré rayonne des ondes électromagnétiques. Dès 1916, il découvrit effectivement des solutions de ses équations du champ gravitationnel représentant des ondulations de la courbure de l’espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière. Il venait d’inventer la  « lumière gravitationnelle ».

Good Vibrations

Et quel vent d’outre-monde emporte au gré des ondes
la promesse de toutes les germinations?
Charles Dobzynski

L’analogie entre ondes gravitationnelles et ondes électromagnétiques est utile pour la conception du phénomène, mais elle ne conduit guère plus loin. La structure d’une onde gravitationnelle et ses effets sur la matière sont bien plus complexes que ceux de l’onde électromagnétique. Une première différence notable vient du fait que la gravitation est purement attractive ; la masse, c’est-à-dire la « charge gravitationnelle », a toujours le même signe. Il en résulte qu’un oscillateur gravitationnel élémentaire, constitué de deux masses vibrant aux extrémités d’un ressort, ne rayonne pas le même type d’ondes que deux charges électriques de signe opposé. Dans le cas électromagnétique, le rayonnement est du type dipolaire, dans le cas gravitationnel il est du type quadripolaire.

La nature quadripolaire des ondes gravitationnelles. La figure montre l’effet d’une onde gravitationnelle parvenant perpendiculairement au plan d’un anneau de particules test. Selon la relativité générale, les ondes gravitationnelles peuvent adopter deux motifs particuliers, ou états de polarisation. La polarisation du haut, dite "plus", dilate et contracte alternativement l’anneau sans changer la direction de ses axes principaux ; la polarisation du bas, dite "en croix", tourne de 45° les directions de compression et d’étirement.
La nature quadripolaire des ondes gravitationnelles. La figure montre l’effet d’une onde gravitationnelle parvenant perpendiculairement au plan d’un anneau de particules test. Selon la relativité générale, les ondes gravitationnelles peuvent adopter deux motifs particuliers, ou états de polarisation. La polarisation du haut, dite « plus », dilate et contracte alternativement l’anneau sans changer la direction de ses axes principaux ; la polarisation du bas, dite « en croix », tourne de 45° les directions de compression et d’étirement.

Une autre complication vient de ce que le graviton, l’hypothétique particule médiatrice de l’onde gravitationnelle, transporte une charge gravitationnelle associée à son énergie, tandis que le photon, particule médiatrice de l’interaction électromagnétique, ne transporte pas de charge électrique. Par conséquent, l’onde de gravitation produite par une masse accélérée est elle-même source de gravitation : la gravitation gravite. En termes techniques, on dit qu’elle est non linéaire. Cette non-linéarité introduit des difficultés considérables dans la résolution des problèmes apparemment les plus simples, comme le calcul du champ gravitationnel engendré par deux corps en mouvement. Continuer la lecture

La physique étrange d’Interstellar (4/6) : dilatation temporelle et processus de Penrose

Suite du billet précédent La physique étrange d’Interstellar (3/6)

En novembre 2014, le film de science-fiction Interstellar (réalisation Christopher Nolan, Warner Bros Pictures, 169 minutes, 2014) sortait sur nos écrans. Véritable « blockbuster » hollywoodien, il a suscité un énorme battage médiatique, comme en témoignent les innombrables forums de discussion et articles de presse ayant fleuri au cours des jours, semaines et mois qui ont suivi.  A la demande de la revue de langue anglaise Inference : International Review of Science, j’ai par la suite fait un travail d’analyse scientifique beaucoup plus développé et approfondi, publié au printemps 2015. Je vous en livre la traduction française, découpée en 6 billets. Celui-ci est le quatrième.

Dilatation temporelle

La théorie de la relativité restreinte d’Einstein prédit que des observateurs placés dans des référentiels différemment accélérés perçoivent le temps différemment. Ce phénomène bien connu de « dilatation » temporelle a été vérifié expérimentalement à un haut degré de précision. Les conséquences de la dilation temporelle se font sentir tout au long de l’histoire d’Interstellar.

Les fameuses "montres molles" de Salvador Dali sont une belle métaphore de l'élasticité du temps prévue par la relativité d'Einstein.
Les fameuses « montres molles » de Salvador Dali sont une belle métaphore de l’élasticité du temps prévue par la relativité d’Einstein.

Près de l’horizon des événements d’un trou noir, où le champ gravitationnel est énorme, la dilatation temporelle est également énorme. Les horloges sont fortement ralenties par rapport aux horloges lointaines. Une heure sur Miller (temps propre de Miller) équivaut à sept années sur Terre. Ceci correspond à un facteur de dilatation de 60 000. Bien que la dilatation temporelle tende vers l’infini quand l’horloge tend vers l’horizon des événements, un facteur de dilatation de 60 000 est impossible pour une planète en orbite stable autour d’un trou noir.

Dans son livre, The Science of Interstellar, Kip Thorne explique qu’un facteur de dilatation temporelle de cette grandeur était une exigence non négociable de la part du réalisateur[1]. Après quelques heures de calcul, Thorne est parvenu à la conclusion que le scénario, bien que très peu vraisemblable, était marginalement possible. Le facteur-clé est la période de rotation du trou noir. Un trou noir de Kerr (tournant) se comporte très différemment d’un trou noir de Schwarzschild (statique). L’équation de dilatation temporelle dérivée de la métrique de Kerr s’écrit:

1 – (dτ/dt)2 = 2GMr/c2rho2, où rho2 = r2 + (J/Mc)2cos2θ.

En substituant dτ = 1 heure et dt = 7 ans, on obtient:

formule-dilation Continuer la lecture

Un trou noir à Hollywood (3) : Pile et face

Suite du billet précédent : Retour aux bases

Le calcul de la trajectoire des rayons lumineux autour d’un trou noir suppose une bonne connaissance de la nature de la source lumineuse. Si les trous noirs existent réellement dans la nature (et il semble bien que ce soit le cas), ils ont de bonnes chances d’être éclairés par des sources extérieures de lumière. Une situation intéressante est celle où la source d’éclairage est une série d’anneaux matériels en orbite autour du trou noir. On pense que de nombreux trous noirs sont entourés de telles structures, nommées disques d’accrétion. Les anneaux de la planète Saturne sont un exemple célèbre de disque d’accrétion ; ils sont constitués d’un amalgame de cailloux et de glace qui réfléchit la lumière du Soleil lointain.

La planète Saturne et ses anneaux. On considère que le disque d'accrétion d'un trou noir, bien que constitué de gaz, a une forme similaire, c'est-à-dire des anneaux circulaires et une faible épaisseur.
La planète Saturne et ses anneaux. On considère que le disque d’accrétion d’un trou noir, bien que constitué de gaz, a une forme similaire, c’est-à-dire des anneaux circulaires et une faible épaisseur.

En revanche, dans le cas d’un trou noir, les anneaux d’accrétion se composent d’un gaz chaud qui rayonne lui-même. Ce gaz tombe peu à peu en spirale dans le trou noir, de façon analogue au mouvement de l’eau entraînée dans un tourbillon. Sa chute s’accompagne d’une élévation de sa température et d’une émission de rayonnement. Voilà donc une bonne source d’éclairage : les anneaux d’accrétion brillent et illuminent le trou noir central. On peut alors s’interroger : quelle est l’image apparente du disque d’accrétion autour d’un trou noir ? Continuer la lecture

Un trou noir à Hollywood (2) : Retour aux bases

Suite du billet précédent Interstellar : un trou noir à Hollywwod (1)

La plaque du foyer noir,
de réels soleils des grèves :
ah ! puits des magies.
Arthur Rimbaud, Illuminations

Depuis sa diffusion  le 5 novembre dernier sur les écrans du monde entier, le film  Interstellar de Christopher Nolan s’est imposé comme le blockbuster de l’année,  suscitant des centaines de débats et dicussions passionnées sur la toile,  alimentant des dizaines de blogs (la majorité anglo-saxons) qui ont, soit encensé, soit critiqué les exactitudes ou inexactitudes scientifiques  du film, la vraisemblance du scénario, etc.  Je rappelle que le conseiller scientique du film est mon collègue chercheur, le célèbre physicien américain Kip Thorne; avec son équipe de la compagnie  privée  Double Negative spécialisée dans les effets visuels, ils ont notamment concocté l’image du disque d’accrétion illuminant le trou noir « Gargantua », censée être la plus précise jamais montrée, et qui a fait le tour du monde.

Pour accompagner la promotion du film, Kip Thorne a lui-même publié un livre de vulgarisation intitulé « The Science of Interstellar« , dans lequel il explique comment il a tenté de respecter le mieux qu’il pouvait l’exactitude scientifique, malgré les exigences parfois étranges du réalisateur, s’assurant en particulier que les despriptions visuelles des trous noirs et des effets relativistes associés soient les plus réalistes possibles.

destinPuisque, comme déjà rappelé dans le billet précédent, j’ai été en 1979 le premier chercheur au monde à effectuer des simulations numériques et à publier une image réaliste simulée d’un trou noir entouré d’un disque d’accrétion, dans les billets qui suivent je reviendrai aux bases de la visualisation des trous noirs, dans une visée non point critique mais pédagogique. Une bonne partie est adaptée d’un chapitre d’un de mes livres publié en français en 2006 chez Fayard, Le destin de l’univers, et repris en livre de poche en 2010 chez Folio/Gallimard. Continuer la lecture