«Nous avons détecté des ondes gravitationnelles»: Einstein avait raison

Les physiciens de l'observatoire Ligo, aux États-Unis, réunissant des participants de quinze pays et associés au laboratoire européen Virgo, viennent d'annoncer un résultat majeur, le plus important dans la discipline depuis le boson de Higgs : la découverte des ondes gravitationnelles, dont l'existence avait été prévue par Einstein il y a un siècle.

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« Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves, we did it. » « Mesdames et messieurs, nous avons détecté des ondes gravitationnelles, nous l’avons fait. » L’annonce de David Reitze, directeur exécutif du Ligo, observatoire constitué de deux détecteurs géants identiques, l’un en Louisiane et l’autre dans l’est de l’État de Washington, a été sobre.

L'annonce de la découverte par David Reitze, directeur du Ligo © Alexandra Witze

Mais sa signification est immense : après un demi-siècle d’efforts et plusieurs échecs retentissants, un millier de physiciens de quinze pays travaillant au Ligo, associés aux 250 chercheurs de l’observatoire européen Virgo, ont confirmé une prédiction formulée par Albert Einstein en juin 1916, il y a presque un siècle.

Les ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015, à 5 h 51 en heure EDT (11 h 51 à Paris), par les deux détecteurs, celui de Livingston, en Louisiane ayant enregistré l’événement 7 millisecondes avant son jumeau de Hanford, Washington. L’événement en question s’est produit il y a un milliard d’années, dans le sud de la voûte céleste, vers le nuage de Magellan. Deux trous noirs, l’un d’une masse équivalente à 29 fois celle du Soleil et l’autre de 36 masses solaires, se sont rapprochés et ont fusionné en une fraction de seconde. Il faut imaginer deux objets trente fois plus massifs que le Soleil, entrant en collision à la moitié de la vitesse de la lumière dans un espace de la dimension d’une grande ville. « Mind-boggling », « ahurissant », résume David Reitze.

Cette collision gargantuesque a provoqué une déformation de l’univers, une onde qui s’est propagée dans l’espace à la vitesse de la lumière avant d’atteindre les détecteurs du Ligo. Cette déformation en déplacement est précisément une onde gravitationnelle. Mais malgré l’énorme puissance de l’événement qui l’a suscitée, ce que les détecteurs du Ligo ont mesuré n’est qu’une minuscule distorsion de l’espace correspondant à une infime fraction du diamètre d’une particule élémentaire telle qu’un proton. On comprend que la détection d’effets aussi ténus ait demandé des décennies d’efforts.

Localisation dans le ciel de la collision des deux trous noirs détectés par le Ligo © DR

À vrai dire, lorsque Einstein a prédit l’existence de telles ondes, il pensait que les physiciens ne pourraient pas les détecter. Il n’était même pas complètement sûr de leur existence réelle ! Si les ondes gravitationnelles font vibrer les physiciens, elles ne renversent pas les tables. Elles parcourent l’espace à la vitesse de la lumière sans se heurter au moindre obstacle. Elles ne sont pas absorbées ou réfléchies par la matière, comme les ondes lumineuses. Elles ne perturbent pas l’ordre cosmique. Bref, elles sont d’une extrême discrétion.

Leur concept découle de la théorie de la relativité générale, formulée par Einstein en 1915. Cette théorie est principalement une théorie de la gravitation, mais complètement différente de la classique théorie de la gravitation de Newton. Pour le physicien anglais, la Terre tourne autour du Soleil parce que celui-ci exerce une force de gravitation sur notre planète. Pour Einstein, la gravitation n’est pas une force, c’est une déformation de l’espace-temps qui se produit autour des objets massifs. La Terre est attirée par le Soleil parce que ce dernier courbe l’espace-temps autour de lui.

Une image souvent utilisée pour illustrer l’idée de courbure de l’espace-temps est celle d’un tissu élastique sur lequel on pose une grosse boule : elle s’enfonce dans le tissu et crée une dépression ; si l’on fait rouler une bille en ligne droite sur le tissu, quand elle passe près de la boule, sa trajectoire est déviée par la dépression et se courbe (voir le site astronomes.com).

Cette image est cependant très imparfaite. Elle décrit un espace en deux dimensions dans lequel se déplacent des objets. Pour Einstein, l’espace et le temps sont liés, formant un continuum à quatre dimensions. De plus, le père de la relativité ne voit pas, à la différence de Newton, l’espace comme un théâtre fixe où évoluent les objets. Il conçoit l’espace-temps comme une entité qui n’est pas séparée des objets : « Les objets physiques ne sont pas dans l’espace, mais ils sont étendus spatialement, écrit Einstein. En ce sens le concept d’espace vide perd sa signification. »

L’idée principale, cependant, est que la matière déforme l’espace et que cette déformation constitue la gravité. C’est ce qu’Einstein expose en 1915. L’année suivante, Einstein se demande ce qui se passerait si l’on pouvait secouer un objet de grande masse. Qu’adviendrait-il de la déformation de l’espace-temps qu’il produit ? Serait-elle secouée elle aussi ? En juin 1916, le physicien publie sa réponse : l’espace-temps se mettrait à onduler, produisant une onde qui se déplacerait en s’éloignant de la grosse masse à la vitesse de la lumière. Cette onde n’est autre que la distorsion produite par la gravité de l’objet massif. C’est donc une onde gravitationnelle. En se propageant dans l’espace, l’onde déplace la déformation initiale. Autrement dit, elle étire et écrase l’espace-temps sur son passage.

Einstein et d’autres physiciens se sont tout de suite demandé si ces ondes avaient une existence matérielle ou si elles étaient de purs artefacts résultant du calcul. Einstein lui-même a changé plusieurs fois d’avis sur le sujet, rapporte la revue Nature dans un résumé historique. Mais un certain nombre de physiciens y ont cru dur comme fer.

« Einstein ne croyait pas aux trous noirs »

En 1969, Joseph Weber, de l’université du Maryland, construit un détecteur fait d’un cylindre d’aluminium de 2 mètres de long sur 1 mètre de large, censé « sonner » d’une manière ou d’une autre quand il est parcouru par une onde gravitationnelle. Mais aucun autre chercheur n’a réussi à reproduire ses résultats, auquel il a finalement été le seul à croire.

Mais à sa suite, d’autres physiciens se sont attaqués au problème. Dans les années 1970-80, Joseph Taylor et Russel Hulse, de l’université du Massachusetts Amherst, ont étudié un système qu’ils avaient découvert en 1974, formé d’un pulsar en orbite autour d’une étoile à neutrons. Autrement dit, deux étoiles très massives se rapprochant progressivement, l’orbite du pulsar se rétrécissant progressivement. Ce système était une illustration réelle de la grosse masse secouée sur laquelle Einstein avait spéculé. Le rétrécissement de l’orbite était dû, en théorie, à la libération d’énergie sous forme d’onde gravitationnelle. Les calculs de Taylor et Hulse ont montré que la modification de l’orbite était conforme à la théorie d’Einstein. Ils ont obtenu le Nobel en 1993, et sont crédités d’avoir démontré indirectement l’existence des ondes gravitationnelles.

Mais c’était en effet une preuve très indirecte, et les physiciens voulaient détecter directement les fameuses ondes. Cela a conduit à construire les deux détecteurs du Ligo. Chacun d’eux est formé de deux bras perpendiculaire, en L, longs chacun de 4 kilomètres. À l’angle du L se trouve un séparateur sur lequel on projette un faisceau de lumière laser. Le faisceau est divisé en deux, et chacun des deux demi-faisceaux de lumière parcourt l’un des bras de 4 kilomètres, avant d’être réfléchi et de revenir au séparateur. Là, les deux demi-faisceaux interfèrent et, s’ils ont parcouru exactement la même distance, ils s’annulent. Mais s’il y a une différence dans la longueur du parcours, même très petite, le décalage entre les deux demi-faisceaux produit un signal.

Les signaux identiques captés, à 7 millisecondes d'écat, par le détecteur de Louisiane (à g.) et de l'Etat de Washington (à dr.)

Or, lorsqu’une onde gravitationnelle se propage, elle dilate l’espace ou le comprime sur son passage. Si elle rencontre le détecteur, la déformation qu’elle produit peut rendre pendant un instant l’un des bras plus court que l’autre. Lorsque les deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d’années, ils ont produit une onde qui a fini par atteindre les deux détecteurs du Ligo. Et par produire, pendant une petite fraction de seconde, une infime différence entre la longueur des bras normalement identique des détecteurs.

C’est cela que les physiciens du Ligo ont observé. Mais comme on l’a vu plus haut, malgré la dimension cataclysmique du phénomène qui a produit l’onde gravitationnelle à l’origine, la déformation détectée sur Terre est infime : pour un bras de 4 kilomètres, c’est une variation de longueur qui correspond à une minuscule fraction du diamètre d’un proton. Le dispositif est capable de mesurer un écart de longueur plus petit qu’un dix millième de ce diamètre, ce qui correspond à un milliardième de milliardième de décimètre (10-19 m).

C’est parce que l’effet est aussi faible que l’observatoire est constitué de deux détecteurs jumeaux installés en deux sites opposés des États-Unis : s’il n’y en avait qu’un, on pourrait craindre qu’un effet observé soit dû, non à une onde gravitationnelle, mais à un quelconque artefact qui crée une différence entre les parcours dans les deux bras perpendiculaires. Par contre, si les deux détecteurs voient exactement la même perturbation, avec un écart de temps correspondant tout juste au temps de parcours de l’onde gravitationnelle entre les deux sites, la démonstration devient probante. C’est exactement ce qui s’est produit (voir les signaux enregistrés dans les deux détecteurs ci-dessus).

Les détecteurs du Ligo ont enregistré le signal des ondes gravitationnelles il y a près de cinq mois. Dès cette époque, des rumeurs ont commencé à courir sur le web. Il a fallu tout ce temps pour vérifier minutieusement que la mesure était juste, qu’il n’y avait pas d’artefact ou de perturbation due à une autre cause. Et ce n’est pas la prouesse la moins remarquable que d’avoir réussi à garder (à peu près) le secret jusqu’à ce jour, et à organiser une conférence après qu’un article a été dûment revu par un comité de lecture de la Physical Review Letters.

Pour les physiciens, une nouvelle ère commence. Après une déconvenue en septembre 2014 (voir notre article), la chasse aux ondes gravitationnelles a enfin abouti. « Einstein pensait que les ondes gravitationnelles seraient trop faibles pour être détectées, et il ne croyait pas aux trous noirs, dit Bruce Allen, l’un des physiciens qui ont participé à l’entreprise. Mais je ne pense pas qu’il aurait été ennuyé de s’être trompé sur ce point ! »

Michel de Pracontal

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