Et pour approfondir le sujet des ondes gravitationnelles, voir ma suite de 4 billets de février dernier consacrés au sujet :
https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2016/02/10/la-lumiere-gravitationnelle-1/
https://blogs.futura-sciences.com/luminet/2016/02/10/la-lumiere-gravitationnelle-22/
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.
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.
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.
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…
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)
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
Suite du billet précédent Principes de base
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.
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
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”.
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.
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