Il y a plus d'un milliard d'années, dans une galaxie lointaine, deux trous noirs ont franchi les étapes finales d'un pas de deux rapide, se terminant par une étreinte finale si violente qu'elle a libéré plus d'énergie que la production combinée de chaque étoile chaque galaxie dans l'univers observable. Pourtant, contrairement à la lumière des étoiles, l’énergie était sombre, portée par la force invisible de la gravité. Le 14 septembre 2015 à 5 h 51, heure avancée de l'Est, un fragment de cette énergie, sous la forme d'une «onde gravitationnelle», a atteint la Terre, réduit par son vaste transit à travers l'espace et le temps à un simple murmure de son énergie tonale. début.
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AcheterAutant que nous sachions, la Terre a déjà été plongée dans ce type de perturbation gravitationnelle. Souvent. La différence cette fois-ci est que deux détecteurs d'une précision stupéfiante, l'un situé à Livingston, en Louisiane, et l'autre à Hanford, dans l'État de Washington, étaient au point. Lorsque l'onde gravitationnelle est passée, elle a chatouillé les détecteurs, offrant la signature indiscutable de la collision de trous noirs de l'autre côté de l'univers et marquant le début d'un nouveau chapitre de l'exploration du cosmos par l'homme.
Lorsque les rumeurs de la découverte ont commencé à circuler en janvier, je levai les yeux au ciel devant ce qui était clairement une fausse alerte ou un stratagème pour attiser un brouhaha. En tant que programme de recherche au début de sa cinquième décennie, la chasse aux ondes gravitationnelles était devenue depuis longtemps la découverte majeure à l'horizon. Les physiciens s'étaient résignés à attendre leur Godot gravitationnel.
Mais l'ingéniosité et la persévérance humaines ont triomphé. C’est l’une de ces victoires qui font frémir les frissons.
Voici l'histoire, en quelques mots.
En novembre dernier, le monde a célébré le centenaire de la plus grande découverte d'Einstein, la théorie de la relativité générale, qui a révélé un nouveau paradigme pour comprendre la gravité. L’approche d’Isaac Newton prédit correctement l’attraction gravitationnelle entre deux objets quelconques mais ne donne aucune idée de la façon dont une chose ici peut atteindre l’espace vide et y tirer quelque chose . Einstein a passé une décennie à essayer de déterminer comment la gravité était communiquée, et a finalement conclu que l'espace et le temps constituaient la main invisible qui répondait aux exigences de la gravité.
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Cette histoire est une sélection du numéro d'avril du magazine Smithsonian
AcheterLa métaphore du choix, trop utilisée mais évocatrice, est de penser à l’espace comme un trampoline. Placez une boule de bowling au milieu du trampoline pour qu’elle s’incline, et une bille sera poussée à suivre une trajectoire courbe. De même, Einstein a affirmé que près d'un corps astronomique comme le Soleil, l'environnement courbes espace-temps explique pourquoi la Terre, tout comme le marbre, suit une trajectoire courbe. En 1919, des observations astronomiques confirmèrent cette vision remarquable et firent Einstein Einstein.
Einstein a poussé sa découverte capitale plus loin. À ce stade, il s'était concentré sur des situations statiques: déterminer la forme fixe d'une région d'espace-temps découlant d'une quantité donnée de matière. Mais Einstein s'est ensuite tourné vers des situations dynamiques: qu'adviendrait-il du tissu espace-temps si la matière bougeait et tremblait? Il s'est rendu compte que les enfants qui sautent sur un trampoline génèrent des ondes à la surface qui ondulent vers l'extérieur, une matière qui se déplace de cette manière et qui généreront des ondes dans la structure de l'espace-temps qui ondulent également vers l'extérieur. Et puisque, selon la relativité générale, l’espace-temps incurvé est la gravité, une onde d’espace-temps incurvé est une onde de gravité.
Les ondes gravitationnelles représentent la plus grande différence de la relativité générale par rapport à la gravité newtonienne. L'espace-temps flexible est certainement une profonde refonte de la gravité, mais dans des contextes familiers tels que l'attraction gravitationnelle du Soleil ou de la Terre, les prédictions d'Einstein diffèrent à peine de celles de Newton. Cependant, comme la gravité newtonienne est muette sur la manière dont la gravité est transmise, la notion de perturbations gravitationnelles en déplacement n'a pas sa place dans la théorie de Newton.
Einstein lui-même avait des doutes quant à sa prédication des ondes gravitationnelles. Lors de la première rencontre avec les équations subtiles de la relativité générale, il est difficile de démêler les mathématiques abstraites de la physique mesurable. Einstein fut le premier à s'engager dans cette lutte, et il y avait des caractéristiques que lui-même, le cynosure de la relativité, n'avait pas bien compris. Mais dans les années 1960, les scientifiques ont utilisé des méthodes mathématiques plus raffinées, établissant hors de tout doute que les ondes gravitationnelles constituaient un trait distinctif de la théorie générale de la relativité.
Une illustration des ondes gravitationnelles (John Hersey) Comment, alors, cette prédiction iconique pourrait-elle être testée? En 1974, à l'aide du radiotélescope Arecibo, Joseph Taylor et Russell Hulse découvrent un pulsar binaire: deux étoiles à neutrons en orbite dont la période orbitale peut être suivie avec une grande précision. Selon la relativité générale, les étoiles en orbite génèrent une marche constante d’ondes gravitationnelles qui drainent l’énergie, amenant les étoiles à se rapprocher et à orbiter plus rapidement. Les observations ont confirmé cette prédiction à un T, fournissant des preuves, même indirectes, de la réalité des ondes gravitationnelles. Hulse et Taylor ont reçu le prix Nobel 1993.
Ce succès n’a fait que rendre plus attrayante la détection directe des ondes gravitationnelles. Mais la tâche était ardue. Les calculs montrent que lorsqu'une onde gravitationnelle ondule dans l'espace, tout ce qui se trouve sur son trajet sera alternativement étiré et comprimé le long des axes perpendiculaires à la direction du mouvement de l'onde. Une vague gravitationnelle dirigée directement vers les États-Unis allait alternativement étirer et comprimer l’espace entre New York et la Californie et celui entre le Texas et le Dakota du Nord. En surveillant précisément de telles distances, nous devrions ainsi être en mesure de déterminer le passage de la vague.
Le défi est le même: une ondulation dans un étang s’éteint, une ondulation gravitationnelle se dilue au fur et à mesure qu’elle se déplace depuis sa source. Étant donné que les collisions cosmiques majeures se produisent généralement très loin de nous (heureusement), au moment où les ondes gravitationnelles générées atteignent la Terre, la quantité d’étirement et de compression qu’elles provoquent est infime - inférieure à un diamètre atomique. Détecter de tels changements revient à mesurer la distance entre la Terre et l’étoile la plus proche au-delà du système solaire avec une précision supérieure à l’épaisseur d’une feuille de papier.
La première tentative, initiée par Joseph Weber de l'Université du Maryland dans les années 1960, utilisait des cylindres en aluminium massif de plusieurs tonnes, dans l'espoir qu'ils résonneraient doucement comme des diapasons géants en réponse à une vague gravitationnelle. Au début des années 1970, Weber revendique le succès. Il a signalé que des ondes de gravitation sonne son détecteur presque quotidiennement. Cette réalisation capitale a inspiré d’autres personnes à corroborer les affirmations de Weber, mais après des années d’essais, personne ne pouvait capter la moindre vague.
La croyance tenace de Weber dans ses résultats, longtemps après que les preuves rassemblées suggèrent le contraire, a contribué à une perspective qui a coloré le champ depuis des décennies. Au fil des ans, de nombreux scientifiques ont pensé, à l'instar d'Einstein, que même si les ondes gravitationnelles étaient réelles, elles seraient tout simplement trop faibles pour être détectées. Ceux qui sont partis à leur recherche étaient partis pour un imbécile, et ceux qui croyaient être victimes de détection étaient trompés.
Dans les années 1970, les rares personnes qui possédaient encore le virus des ondes gravitationnelles se tournèrent vers un schéma de détection plus prometteur dans lequel les lasers seraient utilisés pour comparer les longueurs de deux longs tunnels identiques orientés à 90 degrés l'un par rapport à l'autre. Une onde gravitationnelle passante aurait pour effet d'étirer un tunnel tout en comprimant l'autre, modifiant légèrement les distances parcourues par les rayons laser émis le long de chacun. Lorsque les deux faisceaux laser sont ensuite recombinés, le motif résultant que la lumière se forme est sensible aux différences minimes dans la distance parcourue par chaque faisceau. Si une onde gravitationnelle passe, même la plus petite perturbation qu'elle crée laisse un motif laser modifié dans son sillage.
C'est une belle idée. Mais les marteaux-piqueurs à proximité, les camions grondants, les rafales de vent ou la chute d'arbres pourraient perturber une telle expérience. Lorsque vous recherchez des différences de longueur inférieures à un milliardième de milliardième de mètre, la capacité à protéger l'appareil de toute agitation environnementale possible, même la plus légère, devient primordiale. Avec cette exigence apparemment insurmontable, les opposants ont reçu encore plus de munitions. Attraper une onde gravitationnelle ferait de l'audition de Horton un Who, même au-dessus du vacarme rugissant du métro de New York, un jeu d'enfant.
Néanmoins, les physiciens américains Kip Thorne et Rainer Weiss, rejoints plus tard par le physicien écossais Ronald Drever, rêvaient de construire un détecteur d'ondes gravitationnelles au laser, et ils ont mis les roues en mouvement pour que ce rêve devienne réalité.
En 2002, après deux décennies de recherche et développement et un investissement de plus de 250 millions de dollars de la National Science Foundation, deux merveilles scientifiques et technologiques constituant l’observatoire d’interféromètre laser à ondes gravitationnelles LIGO ont été déployées à Livingston, en Louisiane, et Hanford, Washington. Des tunnels sous vide de quatre kilomètres de long, en forme de lettre «L» géante, abriteraient un faisceau laser 50 000 fois plus puissant qu'un pointeur laser standard. La lumière laser rebondissait entre les miroirs les plus lisses du monde, placés aux extrémités opposées de chaque bras, cherchant une petite discordance dans le temps nécessaire à chacun pour terminer son voyage.
Les chercheurs ont attendu. Et attendu. Mais après huit ans, rien. Décevant, certes, mais comme l’ont affirmé les équipes de recherche, ce n’est pas surprenant. Les calculs avaient montré que LIGO était à peine au seuil de sensibilité nécessaire pour détecter les ondes gravitationnelles. Ainsi, en 2010, LIGO a été arrêté pour diverses mises à niveau, à hauteur de plus de 200 millions de dollars. À l'automne 2015, un LIGO amélioré, bien plus sensible, a été activé. De manière choquante, moins de deux jours plus tard, un frisson soudain a secoué le détecteur en Louisiane et sept millisecondes plus tard, le détecteur à Washington a tremblé presque de la même manière. Le motif des vibrations délicates correspondait à ce que les simulations informatiques prédisaient pour les ondes gravitationnelles qui seraient produites par les dernières vagues de trous noirs en orbite qui se brisent ensemble.
Un de mes amis à l'intérieur, assermenté au secret mais désireux de fournir un indice pas si subtil, m'a dit: «Imaginez juste que notre rêve le plus fou est devenu réalité.» Mais c'était ce coup qui a frappé le jackpot gravitationnel cela a donné aux chercheurs une pause. C'était presque trop parfait.
L'appareil LIGO repose sur des miroirs conçus avec précision et parfaitement propres. (Matt Heintze / Caltech / MIT / Laboratoire LIGO) Après quelques mois d’efforts intenses et diligents pour enquêter de manière approfondie sur toutes les autres explications, aussi invraisemblable soit-il, une seule conclusion reste en suspens. Le signal était réel. Un siècle après qu'Einstein eut prédit leur existence, plus de 1 000 scientifiques travaillant à l'expérience LIGO ont célébré la première détection directe des ondes gravitationnelles. Ils avaient attrapé le murmure momentané d'un tsunami gravitationnel déclenché il y a plus d'un milliard d'années, le vestige d'une sombre fusion quelque part dans le ciel profond du sud.
L’annonce officielle de la presse, le 11 février à Washington, était électrique. Dans mon propre établissement, la Columbia University, nous avons dû transférer la diffusion en direct des débats dans l'un des plus grands sites du campus, et des histoires similaires ont été diffusées dans des universités du monde entier. Pendant un bref instant, les ondes gravitationnelles ont eu raison du pronostic présidentiel.
L'excitation était justifiée. L'histoire considérera la découverte comme l'un de ces points d'inflexion qui modifient le cours de la science. Depuis que le premier humain a regardé vers le ciel, nous avons exploré l'univers en utilisant des ondes de lumière. Le télescope a considérablement amélioré cette capacité, et avec elle nous avons rencontré la splendeur de nouveaux paysages cosmiques. Au cours du XXe siècle, nous avons élargi les types de signaux lumineux détectés - infrarouge, radio, ultraviolets, gamma et rayons X - toutes les formes de lumière mais avec des longueurs d’onde en dehors de la plage visible à l’œil nu. Et avec ces nouvelles sondes, le paysage cosmique s'est encore enrichi.
Les ondes gravitationnelles sont un type de sonde cosmique complètement différent, avec le potentiel de conséquences encore plus dramatiques. La lumière peut être bloquée. Un matériau opaque, comme un store de fenêtre, peut bloquer la lumière visible. Une cage en métal peut bloquer les ondes radio. En revanche, la gravité traverse tout, pratiquement inchangée.
Ainsi, avec les ondes gravitationnelles comme sonde, nous pourrons examiner les royaumes interdits à la lumière, comme le brouillage chaotique de l’espace-temps lors de la collision de deux trous noirs ou peut-être celui du big bang, il ya 13, 8 milliards d’années. Déjà, l'observation a confirmé l'idée que les trous noirs pourraient former des paires binaires. Encore plus tentant encore, nous pouvons trouver un paysage sombre peuplé de choses que nous n’avons même pas encore imaginées.
Alors qu’un réseau de détecteurs à travers le monde, en Italie, en Allemagne, bientôt au Japon et probablement en Inde, met en commun leurs données et espère pouvoir être rejoints à l’avenir par un énorme détecteur opérant dans l’espace, notre capacité à sonder le cosmos fera un autre bond en avant. vers l'avant. Ce qui est tout à fait passionnant. Rien n’est plus inspirant que notre capacité, au milieu de nos luttes terrestres toujours présentes, de lever les yeux, de s’émerveiller et d’avoir l’ingéniosité et le dévouement voulus pour voir un peu plus loin.
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