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Ondes gravitationnelles : Einstein avait vu juste

Des ondulations de l'espace-temps, appelées ondes gravitationnelles, ont été détectées directement pour la première fois par des astrophysiciens américains du Caltech (California Institute of Technology), du MIT (Massachusetts Institute of Technology) et du LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory).

Un texte d'Alain Labelle

La détection confirme une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale énoncée par Albert Einstein en 1915 et promet de révolutionner l'étude de notre Univers.

Cette percée, qui couronne plusieurs décennies d'efforts, a été réalisée le 14 septembre grâce aux deux détecteurs de l'observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), situés dans les États de Washington et de la Louisiane.

Les scientifiques ont déterminé que les ondes détectées sont nées pendant la dernière fraction de seconde avant la fusion de deux trous noirs, des objets célestes encore mystérieux résultant de l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives. Cette détection est, par le fait même, la première observation de la « danse » finale de deux trous noirs qui finissent par fusionner.

L'analyse des données a permis de déterminer que ces deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d'années. Ils étaient 29 et 36 fois plus massifs que notre Soleil.

En outre, la comparaison des temps d'arrivée des ondes gravitationnelles dans les deux détecteurs LIGO, distants de 3000 kilomètres l'un de l'autre (7,1 millisecondes d'écart), et l'étude des caractéristiques des signaux mesurés ont confirmé la détection. La source de ces ondes était probablement située dans l'hémisphère sud du ciel mais davantage de détecteurs auraient permis une localisation plus précise.

Les chercheurs de l'équipe américaine travaillent en étroite collaboration avec leurs collègues du Centre National de la recherche scientifique de France (CNRS), et avec les équipes du détecteur franco-italien Virgo, près de Pise (Italie), qui devrait être opérationnel à la fin de l'année. 

Explications

La théorie d'Einstein veut que l'espace-temps se courbe en fonction de la distribution de la matière et de l'énergie. Il est localement courbé par une masse. Par exemple, la Terre courbe localement l'espace-temps dans son voisinage.

Si, par surcroît, cette masse bouge, la courbure produite va elle-même se propager sous forme d'ondulation. Lorsqu'elles sont produites par un corps très condensé, comme un trou noir ou une étoile à neutrons, ces ondulations de courbure agitent l'espace et produisent des ondes de gravitation qui se propagent à la vitesse de la lumière. Ce sont les ondes gravitationnelles.

La difficulté pour les physiciens est de les détecter, puisque ces vibrations sont infiniment petites et se déplacent à la vitesse de la lumière.

Par exemple, un plissement gravitationnel entre la Terre et la Lune entraînerait un rapprochement de l'ordre de la taille d'un atome.

Il faut donc des appareils incroyablement sophistiqués pour mettre en évidence ces infimes vibrations de l'espace.

L'astronomie du futur

Cette percée annonce la naissance de l'astronomie gravitationnelle et ouvre la porte à de nouvelles connaissances de notre Univers.

Les astrophysiciens pourront explorer différemment le ciel, et caractériser des phénomènes encore mystérieux, comme l'interaction entre deux trous noirs, la fusion de deux étoiles à neutrons et l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives.

Une observation indirecte

Une preuve indirecte de l'existence de ces ondes fut apportée en 1974 par les astrophysiciens américains Joseph Taylor et Russell Hulse.

Les deux hommes venaient de détecter un pulsar binaire, un système de deux étoiles à neutrons en rotation. Ces étoiles étant rapides et massives, leur mouvement a donné lieu à une forte émission d'ondes gravitationnelles créant beaucoup d'énergie. L'effet de ces ondes était de faire perdre l'énergie orbitale au système, si bien que les deux pulsars se sont rapprochés très lentement. Or, ce rapprochement peut se mesurer, et le calcul, la perte d'énergie des ondes gravitationnelles, correspond exactement à ce que la relativité générale prévoyait pour une étoile binaire émettant des ondes gravitationnelles. Ce fut donc une nouvelle vérification de la théorie, mais surtout une preuve indirecte de l'existence de ces ondes.

L'observation du rayonnement gravitationnel de ce système leur a valu le prix Nobel de physique en 1993.

La vidéo qui suit, produite par le Centre national d'études spatiales de France, explique le phénomène des ondes gravitationnelles. Pour l'écouter  sur votre appareil mobile, cliquez ici.

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