Dans la plupart des cas, détecter les effets de la gravité n’est pas si difficile. Les parachutistes se précipitent vers le sol au moment où ils descendent d'un avion et, grâce aux télescopes spatiaux, vous pouvez voir la lumière se transformer en anneaux magnifiques en groupes massifs de galaxies. Mais il s’est avéré particulièrement difficile de détecter les ondes gravitationnelles, les ondulations spatio-temporelles déclenchées par un puissant événement cosmique.
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Jusqu'à présent, la plupart des tentatives ont cherché à déterminer l'influence attendue des ondulations espace-temps sur la lumière et la matière. À présent, des scientifiques américains et israéliens pensent que nous pourrions trouver les vagues plus rapidement et à moindre coût si nous examinions leurs effets dans le temps plutôt que dans l'espace.
La chasse aux ondes gravitationnelles est ouverte depuis 1916, quand Albert Einstein avait prédit leur existence dans le cadre de sa théorie générale de la relativité. Il a expliqué que l'espace-temps est comme un tissu et que ce que nous appelons gravité est une courbure dans ce tissu causée par des objets massifs. Comme une boule de bowling suspendue dans une couverture, par exemple, notre énorme planète Terre contourne l'espace-temps autour d'elle.
La théorie suggère également que, lorsque des objets très massifs, tels que des trous noirs, fusionnent, l'explosion gravitationnelle envoie des ondulations se propageant vers l'extérieur dans l'espace-temps. Les détecter ne ferait pas que continuer à valider la théorie d'Einstein, cela ouvrirait une nouvelle fenêtre sur l'univers, car les scientifiques pourraient utiliser les ondes gravitationnelles pour sonder les événements autrement invisibles à travers le cosmos. Mais la preuve des ondes gravitationnelles a été évasive, en grande partie parce que les ondes s’affaiblissent à mesure qu’elles se déplacent, et de nombreuses sources d’ondes gravitationnelles se trouvent au bord de l’univers, à des milliards d’années-lumière.
L'année dernière, une expérience appelée BICEP2 a prétendu avoir détecté les faibles signaux associés à un type d'onde gravitationnelle primordiale, produits par une poussée de croissance soudaine dans l'univers primitif. La plainte était toutefois prématurée, car des analyses ultérieures ont réduit la confiance que l'équipe du BICEP2 avait vu autre chose que de la poussière tourbillonnante dans la Voie lactée.
L'observatoire eLISA prévu par l'Agence spatiale européenne, qui devrait être lancé en 2034, est conçu pour détecter un type d'onde différent: les ondes gravitationnelles à basse fréquence ou à basse fréquence générées par la fusion de paires de trous noirs supermassifs. Les scientifiques ont découvert des trous noirs supermassifs au centre de nombreuses grandes galaxies, y compris la nôtre. On prévoit que la coalescence de deux de ces galaxies émettra des ondes gravitationnelles pouvant se propager à travers l'univers. Pour les trouver, eLISA utilisera des lasers pour mesurer les changements minimes d'espacement d'un parc de véhicules spatiaux qui devraient se produire lors du passage d'une onde gravitationnelle.
Dans un nouvel article, Avi Loeb du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian et Dani Maoz de l’Université de Tel Aviv soulignent que les récents progrès en matière de chronométrage pourraient permettre aux horloges atomiques de détecter les ondes gravitationnelles plus rapidement et moins cher que le système eLISA. Ils décrivent une proposition pour un ensemble d'horloges atomiques stationnées en différents points du soleil qui pourraient détecter un phénomène appelé dilatation du temps, lorsque des effets gravitationnels peuvent provoquer un ralentissement du temps.
Comme pour eLISA, leur plan exige également que les avions spatiaux volent en formation et communiquent à l'aide de lasers. Mais au lieu de relayer des informations sur les changements de distance, les lasers garderont trace des écarts minimes dans la mesure de l'heure entre les horloges atomiques synchronisées installées à bord du vaisseau spatial.
Les changements temporels prévus sont minuscules: "Nous parlons d'une précision de timing de un milliard de milliards de dollars", déclare Loeb. "Pour détecter ce genre de changement, vous avez besoin d'une horloge qui ne gagnera ni ne perdra qu'un dixième de seconde, même si elle doit fonctionner pendant 4, 5 milliards d'années, ou tout le monde de la Terre."
Jusqu'à récemment, ce type de précision dépassait les capacités des horloges atomiques utilisant l'élément césium, qui sont à la base de la norme internationale actuelle en matière de chronométrage. Cependant, début 2014, des physiciens de l'Institut national de la normalisation et de la technologie (NIST) ont dévoilé une horloge atomique expérimentale à «réseau optique» qui a établi de nouveaux records du monde en termes de précision et de stabilité. Ces horloges fonctionnent à des fréquences optiques et offrent donc une plus grande précision que les horloges atomiques au césium, qui reposent sur des micro-ondes pour garder le temps.
En théorie, les horloges atomiques optiques peuvent fournir la précision nécessaire pour détecter les infimes décalages temporels prédits par les ondes gravitationnelles. Loeb et Maoz soutiennent que leur conception serait plus simple et pourrait être réalisée à moindre coût, car elle nécessiterait des lasers moins puissants que l'ELISA. Des horloges atomiques de moindre précision sont déjà utilisées sur les satellites GPS, aussi Loeb pense-t-il qu'il devrait être possible d'envoyer la nouvelle génération d'horloges atomiques dans l'espace.
Deux engins spatiaux placés à la bonne distance pouvaient détecter à la fois le sommet et le creux d'une onde gravitationnelle qui passait. (Loeb et al., Arxiv.org) La meilleure configuration serait une paire d'horloges atomiques installées sur un double vaisseau spatial qui partage l'orbite terrestre autour du soleil. Un vaisseau spatial principal serait également en orbite pour coordonner les signaux provenant des horloges. L'engin muni d'une horloge devrait être séparé d'environ 93 millions de milles, soit environ la distance entre la Terre et le soleil, ou une unité astronomique (UA).
"C'est une belle coïncidence, car une UA a à peu près la même longueur d'onde qu'une vague gravitationnelle [à basse fréquence], comme le font les scientifiques qui pensent que la fusion de trous noirs supermassifs est émise", déclare Loeb. En d’autres termes, c’est précisément la bonne distance pour détecter à la fois le sommet et le creux d’une onde gravitationnelle traversant le système solaire, de sorte que les horloges atomiques positionnées à ces deux points subiraient les effets de dilatation temporelle les plus importants.
Pour le moment, une telle mission ne figure dans aucun plan de travail ou proposition budgétaire d’une agence spatiale. Mais Loeb espère que cette idée déclenchera une étude plus minutieuse des solutions de rechange eLISA. Le projet eLISA "a bénéficié de décennies de discussions, nous devrions donc permettre à cette conception alternative d’être étudiée au moins pendant quelques mois avant de la rejeter."
Loeb ajoute qu’il existe de nombreuses applications pratiques liées aux horloges atomiques plus précises dans l’espace, comme une meilleure précision du GPS et des communications améliorées. Il pense que les premières horloges à réseau optique pourraient être lancées par des entreprises à des fins commerciales, plutôt que par des agences gouvernementales. «Si cela se produit, toute science dont nous nous sortirons serait un sous-produit», dit-il.
Jun Ye, physicien à l'Université du Colorado et boursier du NIST, explique que la proposition de Loeb et Maoz "ouvre un nouveau front intellectuel" sur l'utilisation des horloges atomiques optiques pour tester la physique fondamentale, y compris la recherche d'ondes gravitationnelles. «Je suis optimiste quant à la poursuite de l'amélioration des horloges optiques et de leur utilisation éventuelle dans de telles applications», a déclaré Ye.
