La nouvelle astronomie des ondes gravitationnelles

Publié: février 15, 2016 par futurscience dans science et technologies
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Vous ne pouvez pas ne pas en avoir entendu parler: la détection « directe » des ondes gravitationnelles a été annoncée par l’expérience LIGO aux US jeudi 11 février dernier. C’est une nouvelle majeure car ces perturbations du tissu d’espace-temps sont un élément important de la théorie de la relativité générale, établie il y a environ 100 ans par Albert Einstein. En l’occurrence, ce sont les derniers instants de la fusion de deux trous noirs géants, qui sont à l’origine de l’émission d’une énorme quantité d’énergie. Ces deux trous noirs, initialement de 36 et 29 masses solaires, se sont réunis en un seul mastodonte de 62 masses solaires. Or si vous faites le calcul (pas trop compliqué…), 36 + 29 = 65 ! Donc il nous manque une énergie de 3 masses solaires (la masse est une forme d’énergie et le lien est donné par la fameuse loi E=mc²). En fait on sait depuis 1974 et la découverte du système binaire Hulse-Taylor (deux étoiles à neutrons orbitant l’une autour de l’autre) où part cette énergie:  elle est transportée par les ondes gravitationnelles à une vitesse égale, on en est certain depuis jeudi dernier, à la vitesse de la lumière dans le vide. Les caractéristiques de ce système qui porte le nom de ses découvreurs (et qui leur a valu un prix Nobel) s’expliquaient aussi par l’émission d’ondes gravitationnelles, selon les prédictions de la théorie de la relativité générale.

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Le projet eLisa de l’agence spatiale européenne.

Alors maintenant que l’on sait détecter des ondes gravitationnelles, quelle est la prochaine étape ? Et bien tout d’abord augmenter la sensibilité des principaux détecteurs en service: LIGO (US) et VIRGO (Europe). Dans un des nombreux papiers (une dizaine) publiés jeudi 11 février, il semble que les chercheurs désirent augmenter la précision de leur instrument d’un facteur 10, d’ici 2019. Malgré tout, du fait de la longueur somme toute limitée des bras de LIGO (3 km), ces formidables observatoires ne pourront toujours détecter que des phénomènes hautes fréquences (comme les derniers instants de la fusion de deux trous noirs tournant très vite l’un autour de l’autre). Pour détecter des phénomène plus basse fréquence et donc couvrir une plus large partie du spectre observable via les ondes gravitationnelles, il nous faudra forcément construire des interféromètres (c’est ce que sont LIGO et VIRGO) plus grand, beaucoup plus grand. C’est ici qu’entre en jeux le projet de l’agence spatiale eLisa: il s’agît tout simplement de construire un LIGO dans l’espace en envoyant 3 sondes volant en formation. Les bras de ce nouvel interféromètres feraient environ 1 million de kilomètres (avec une précision folle, capable de détecter une variation de distance de moins d’un atome d’hélium !). L’agence a récemment envoyée, le 3 décembre dernier, une sonde prototype (LISA pathfinder) pour valider un certain nombre des technologies nécessaires pour le projet eLisa. Lancement prévu en 2034.

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Vue d’artiste d’un pulsar, de son disque et de ses deux jets

Enfin, le meilleur pour la fin, les chercheurs envisagent très sérieusement de se servir de l’émission ultra régulière des pulsars (des étoiles à neutrons tournant très rapidement sur elle-même) pour détecter d’infimes variations dans la distance parcourue par la lumière émises par l’un des deux pôles (image ci-dessus). Comme vous avez dû le comprendre ces derniers jours, les ondes gravitationnelles, lorsqu’elles passent en un endroit, déforment l’espace-temps et changent donc le trajet que suivrait un rayon lumineux  traversant cette région. Utiliser les pulsars comme source de lumière nous permettrait de sonder de très basses fréquences grâce à la longueur incroyable du trajet optique. Le grand rêve de beaucoup de physiciens serait de pouvoir capter les ondes gravitationnelles primordiales émises lors de ce qu’on appelle, dans le cadre du modèle « Big Bang », l’inflation cosmique, une phase très brève dans l’évolution de l’univers lors de laquelle celui-ci a connu une expansion phénoménale. Affaire à suivre !

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