Les scientifiques ont entendu parler de l'aria de la gravité pour la première fois.
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Lorsque deux trous noirs se sont rapprochés et ont fusionné, ils ont créé des ondulations dans la structure du cosmos, exactement comme les physiciens le prédisaient depuis un siècle: les ondes gravitationnelles. Dévoilé aujourd'hui lors d'une série de conférences de presse internationales, le signal ouvre la voie à une toute nouvelle compréhension de l'univers.
"C'est la première fois que l'univers nous parle par ondes gravitationnelles. Jusqu'à présent, nous sommes sourds", a déclaré aujourd'hui David Reitze, directeur du laboratoire LIGO à l'université de Floride, lors d'un événement de presse à Washington, DC
La théorie de la gravité d'Albert Einstein, à la base des ondes gravitationnelles, dit que tout ce qui a une masse déforme le tissu même de l'espace-temps. Lorsque des objets massifs se déplacent, ils créent des distorsions dans le tissu cosmique, générant des ondes gravitationnelles. Ces ondes ondulent dans l'univers comme des ondes sonores pulsant dans les airs.
La théorie d'Einstein prédit que l'univers fourmille d'ondes gravitationnelles, mais jusqu'à présent, nous n'avions pas été en mesure de les détecter, en partie parce que les ondes sont exceptionnellement faibles. Mais avant même que ses instruments améliorés soient officiellement mis en ligne l'année dernière, l'observatoire d'interféromètre laser (LIGO) a capté le signal clair de la puissante collision de deux trous noirs distants de 1, 3 milliard d'années-lumière.
«C’est incroyable de constater qu’un signal d’onde gravitationnelle est détecté alors que LIGO n’est pas encore à la limite de la conception. C’est époustouflant, c’est époustouflant, mais dans le bon sens du terme», déclare Joan Centrella, qui dirigeait le Laboratoire d’astrophysique gravitationnelle du Goddard Space Flight de la NASA Avant de devenir directeur adjoint de la division des sciences de l’astrophysique à Goddard.
Cette exaltation s'est répercutée sur l'observatoire de LIGO à Livingston (Louisiane) et dans le reste du monde lorsque l'équipe a annoncé son annonce. Presque tout ce que les astronomes ont appris sur le cosmos provient de différentes formes de lumière, telles que les ondes visibles, les ondes radio et les rayons X. Mais tout comme les ondes sismiques peuvent révéler des structures cachées au plus profond de la Terre, les ondes gravitationnelles contiennent des informations sur les propriétés cachées de l'univers que même la lumière ne peut pas révéler.
«Nous avons commencé par un travail à haut risque avec un potentiel de gain très élevé», a déclaré Kip Thorne, cofondateur de LIGO et physicien gravitationnel du California Institute of Technology, lors de la conférence de presse. "Et nous sommes ici aujourd'hui avec un grand triomphe - une toute nouvelle façon d'observer l'univers."
Premiers indices
La chasse aux ondes gravitationnelles a commencé il y a un siècle avec la publication de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Au milieu des années 1970, les physiciens Russell A. Hulse et Joseph H. Taylor, Jr. ont recueilli des preuves extrêmement convaincantes de l'existence de ces ondulations. Ils ont mesuré le temps qu'il a fallu à deux étoiles à neutrons denses - les noyaux écrasés d'étoiles jadis massives - pour se mettre en orbite.
Sur la base des travaux d'Einstein, ils savaient que ces étoiles devraient émettre de l'énergie gravitationnelle lorsqu'elles tournoyaient, et que l'énergie perdue devait les amener à se mettre en spirale l'une vers l'autre. Après avoir étudié les deux étoiles au cours des prochaines années, ils ont constaté que l’orbite diminuait exactement de la valeur prédite par la relativité générale.
Bien que cette découverte ait valu au prix Nobel de physique en 1993, la plupart des physiciens n’appelleraient pas cela une détection directe des ondes gravitationnelles.
En 2001, LIGO a commencé à opérer dans deux sites distants de 1 875 milles, l'un à Livingston, en Louisiane, et l'autre à Hanford, dans l'État de Washington. Quelques années plus tard, le télescope européen à ondes gravitationnelles Virgo a également été mis en ligne. Les deux ont fonctionné jusqu'en 2010 et 2011, respectivement, avant de passer hors ligne pour les mises à niveau.
Les scientifiques espéraient que ces observatoires initiaux captureraient les ondes gravitationnelles, mais ils savaient que le tir serait long. Ces ondulations sont des signaux très faibles et les instruments n’étaient pas assez sensibles pour entendre leurs murmures. Mais les premiers essais servent à tester la technologie des instruments de la prochaine génération.
Virgo est toujours en cours de mise à niveau, mais l'équipe de LIGO a achevé ses travaux sur les deux détecteurs en 2015. Désormais baptisée Advanced LIGO, les observatoires de Louisiane et de Washington ont écouté les ondes gravitationnelles lors de la première campagne d'observation scientifique organisée du 18 septembre 2015 au 12 janvier. 2016. Le signal annoncé aujourd'hui a été capté juste avant cette première manche officielle, l'équipe effectuant des tests opérationnels des détecteurs.
Précision laser
Détecter une onde lors de son passage à travers la Terre a nécessité beaucoup d'ingénierie intelligente, de puissance informatique et plus de 1 000 scientifiques travaillant dans le monde entier.
À l’intérieur de chaque observatoire LIGO en forme de L, un laser se trouve au point de rencontre de deux tubes perpendiculaires. Le laser traverse un instrument qui divise la lumière, de sorte que deux faisceaux parcourent environ 2, 5 km par tube. Les miroirs situés aux extrémités des tubes réfléchissent la lumière vers sa source, là où le détecteur l’attend.
En règle générale, aucune lumière ne tombe sur le détecteur. Cependant, lorsqu'une onde gravitationnelle passe, elle devrait s'étirer et s'espacer dans l'espace-temps selon un schéma prévisible, en modifiant effectivement les longueurs des tubes d'une quantité infime, de l'ordre du millième du diamètre d'un proton. Ensuite, une lumière va atterrir sur le détecteur.
Pour prendre en compte ce changement minime, les miroirs de l'instrument sont reliés à des systèmes complexes qui les isolent de la plupart des vibrations. Les scientifiques de LIGO disposent également de programmes informatiques spéciaux capables de filtrer diverses sortes de bruits de fond, tels que des tremblements occasionnels, et de déterminer si un signal entrant correspond aux sources astronomiques possibles calculées à l'aide de la relativité générale.
Les sites de la Louisiane et de Washington travaillent ensemble pour vérifier une observation. «Nous ne pensons pas que nous puissions voir une onde gravitationnelle à moins que les deux détecteurs ne voient le même signal dans le temps que prendrait cette onde gravitationnelle pour se déplacer entre les deux sites», explique Amber Stuver, membre de l'équipe LIGO de la Louisiana State University. Dans ce cas, la vague a traversé la Terre et a frappé les deux détecteurs distants de sept millisecondes.
Une fois que les sites de la Louisiane et de Washington ont détecté une mélodie gravitationnelle possible, les scientifiques ont commencé à travailler sur l'analyse. Le 14 septembre, LIGO a capté ce signal, mais il ne fait que commencer à affirmer avec certitude qu'il a vu des ondes gravitationnelles.
"Il nous a fallu des mois de contrôle minutieux, de revérification, d'analyse, de travail avec chaque donnée pour nous assurer de l'observation", a déclaré Reitze lors de l'événement à Washington. "Et nous nous sommes convaincus que c'est le cas." Les résultats apparaissent cette semaine dans Physical Review Letters .
Vue aérienne du détecteur LIGO à Livingston, en Louisiane. (Laboratoire LIGO) Le signal d'onde gravitationnel que les astronomes ont extrait des observations les plus récentes correspondait à ce à quoi ils s'attendaient pour deux trous noirs en spirale l'un vers l'autre. La danse envoie des ondes gravitationnelles à une fréquence et à une force prévisibles, en fonction de la distance qui sépare les objets et de leurs masses.
Alors qu'ils commencent à danser de plus près, les longueurs d'onde des ondes gravitationnelles rétrécissent et leur chant atteint des hauteurs plus hautes. Lorsque les trous noirs se rapprochent de l'étreinte finale, le signal de l'onde gravitationnelle a une note haute finale, ou «sifflement», comme l'appellent les astronomes.
Le signal de septembre correspond à merveille à ce que l'équipe pouvait attendre de deux trous noirs d'une masse égale à environ 29 et 36 fois la masse du soleil. Ces trous noirs se sont rapprochés pour créer un nouveau trou noir de 62 fois la masse du soleil, rayonnant 3 masses solaires d'une énergie gravitationnelle.
Attendez-vous à l'inattendu
Avec cette détection initiale, les astronomes espèrent qu'Advanced LIGO continuera à capturer les ondes gravitationnelles et à rassembler des données pour toutes sortes d’études scientifiques, allant de la compréhension du fonctionnement des supernovas à la découverte des premiers instants de l’univers. Bien qu'aucun autre télescope astronomique n'ait vu la moindre collision avec un trou noir, certaines des autres sources recherchées par Advanced LIGO devraient avoir des homologues visibles pour les télescopes captant la lumière.
Cela semble particulièrement prometteur compte tenu du fait qu'Advanced LIGO n'est pas encore à sa pleine sensibilité. Cela viendra dans les prochaines années, dit Stuver.
Chacun de ces signaux donnera aux astronomes ce qu’ils n’ont jamais eu auparavant: un moyen de sonder les cas extrêmes de gravité et les mouvements d’objets invisibles. Encore plus excitant, les astronomes savent qu’à chaque avancée technologique, l’univers nous surprend.
«Chaque fois que nous avons examiné d'une nouvelle manière et sous un autre type de lumière, nous découvrons quelque chose que nous ne pensions pas trouver», explique Stuver. «Et c'est cette chose inattendue qui révolutionne notre compréhension de l'univers.» Pas longtemps après que les astronomes aient tourné des antennes radio dans le ciel, ils ont découvert un type inattendu d’étoile à neutrons appelée pulsar. Et, peut-être poétiquement, c’est un pulsar et une étoile à neutrons qui exécutent une danse orbitale que Hulse et Taylor ont étudiés dans les années 1970.
Aujourd'hui, à l'aube de l'astronomie gravitationnelle, les scientifiques disposent d'un nouvel outil pour échantillonner le cosmos. Et à partir de ce son, nous sommes partis pour de la belle musique.
Note de l'éditeur: l'affiliation de Joan Centrella a été corrigée.
