24.7 : Astronomie des ondes gravitationnelles

Une autre partie des idées d'Einstein sur la gravité peut être testée afin de vérifier la théorie qui sous-tend les trous noirs. Selon la relativité générale, la géométrie de l'espace-temps dépend de l'emplacement de la matière. Tout réarrangement de la matière, par exemple d'une sphère à une forme de saucisse, crée une perturbation de l'espace-temps. Cette perturbation est appelée onde gravitationnelle, et la relativité prédit qu'elle devrait se propager vers l'extérieur à la vitesse de la lumière. Le gros problème que pose l'étude de telles ondes est qu'elles sont beaucoup plus faibles que les ondes électromagnétiques et donc difficiles à détecter.

Preuve tirée d'un pulsar

Nous avons des preuves indirectes depuis un certain temps de l'existence d'ondes gravitationnelles. En 1974, les astronomes Joseph Taylor et Russell Hulse ont découvert un pulsar (désigné PSR1913+16) en orbite autour d'une autre étoile à neutrons. Attiré par la puissante gravité de son compagnon, le pulsar se déplace à environ un dixième de la vitesse de la lumière sur son orbite.

Selon la relativité générale, ce système de cadavres stellaires devrait émettre de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles à une vitesse suffisamment élevée pour que le pulsar et son compagnon se rapprochent en spirale. Si cela est correct, la période orbitale devrait diminuer (selon la troisième loi de Kepler) d'un dix millionième de seconde par orbite. Des observations continues ont montré que la période diminuait précisément de ce montant. Une telle perte d'énergie dans le système ne peut être due qu'au rayonnement des ondes gravitationnelles, confirmant ainsi leur existence. Taylor et Hulse se sont partagé le prix Nobel de physique 1993 pour ce travail.

Observations directes

Bien qu'une telle preuve indirecte ait convaincu les physiciens de l'existence des ondes gravitationnelles, il est encore plus satisfaisant de les détecter directement. Ce dont nous avons besoin, ce sont des phénomènes suffisamment puissants pour produire des ondes gravitationnelles d'amplitudes suffisamment grandes pour que nous puissions les mesurer. Des calculs théoriques suggèrent certains des événements les plus probables qui donneraient une explosion d'ondes gravitationnelles suffisamment forte pour que notre équipement sur Terre puisse la mesurer :

• la coalescence de deux étoiles à neutrons dans un système binaire qui spiralent ensemble jusqu'à ce qu'elles fusionnent
• la déglutition d'une étoile à neutrons par un trou noir
• la coalescence (fusion) de deux trous noirs
• l'implosion d'une étoile vraiment massive pour former une étoile à neutrons ou un trou noir
• le premier « frisson » lorsque l'espace et le temps ont vu le jour et que l'univers a commencé

Au cours des quarante dernières années, les scientifiques ont développé une expérience audacieuse pour tenter de détecter les ondes gravitationnelles provenant d'une source figurant sur cette liste. L'expérience américaine, qui a été construite avec des collaborateurs du Royaume-Uni, d'Allemagne, d'Australie et d'autres pays, s'appelle LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Le LIGO dispose actuellement de deux stations d'observation, l'une en Louisiane et l'autre dans l'État de Washington. Les effets des ondes gravitationnelles sont si faibles que la confirmation de leur détection nécessitera des mesures simultanées par deux installations très éloignées. Les événements locaux qui peuvent provoquer de petits mouvements dans les stations d'observation et imiter les ondes gravitationnelles, tels que de petits tremblements de terre, des marées océaniques et même la circulation, devraient affecter les deux sites différemment.

Chacune des stations LIGO se compose de deux tuyaux à vide de 4 kilomètres de long et 1,2 mètre de diamètre disposés en forme de L. Une masse d'essai recouverte d'un miroir est suspendue par un fil métallique à chacune des quatre extrémités des tuyaux. La lumière laser ultra-stable est réfléchie par les miroirs et se déplace d'avant en arrière le long des tuyaux à vide (Figure\(\PageIndex{1}\). Si les ondes gravitationnelles traversent l'instrument LIGO, alors, selon la théorie d'Einstein, les ondes affecteront l'espace-temps local : elles étireront et réduiront alternativement la distance que la lumière laser doit parcourir entre les miroirs. Lorsqu'un bras de l'instrument s'allonge, l'autre se raccourcit, et vice versa.

Figure : télescope à ondes\(\PageIndex{1}\) gravitationnelles. Vue aérienne des installations du LIGO à Livingston, en Louisiane. Les détecteurs de 4 kilomètres de long s'étendent en haut à gauche et à l'extrême droite de l'image. (crédit : modification des travaux par le laboratoire Caltech/MIT/Ligo)

Le défi de cette expérience réside dans l'expression « toujours aussi légèrement ». En effet, pour détecter une onde gravitationnelle, la variation de la distance par rapport au miroir doit être mesurée avec une précision de dix millièmes du diamètre d'un proton. En 1972, Rainer Weiss du MIT a écrit un article suggérant comment cette tâche apparemment impossible pourrait être accomplie.

De nombreuses nouvelles technologies ont dû être développées et les travaux du laboratoire, financés par la National Science Foundation, ont débuté en 1979. Un prototype grandeur nature destiné à démontrer la technologie a été construit et exploité de 2002 à 2010, mais on ne s'attendait pas à ce que le prototype possède la sensibilité requise pour détecter réellement les ondes gravitationnelles provenant d'une source astronomique. Le LIGO avancé, conçu pour être plus précis grâce à la technologie améliorée développée dans le prototype, est entré en service en 2015 et a détecté presque immédiatement des ondes gravitationnelles.

Le LIGO a découvert des ondes gravitationnelles produites dans la dernière fraction de seconde de la fusion de deux trous noirs (Figure\(\PageIndex{2}\)). Les trous noirs avaient des masses de 20 à 36 fois supérieures à celles du Soleil, et la fusion a eu lieu il y a 1,3 milliard d'années. Les ondes gravitationnelles se sont produites si loin qu'il leur a fallu autant de temps, se déplaçant à la vitesse de la lumière, pour nous atteindre.

Lors du cataclysme de la fusion, environ trois fois la masse du Soleil a été convertie en énergie (rappelons E = mc ²). Pendant la petite fraction de seconde nécessaire à la fusion, cet événement a produit de l'énergie environ 10 fois plus que celle produite par toutes les étoiles de l'univers visible, mais cette puissance était entièrement sous forme d'ondes gravitationnelles et était donc invisible pour nos instruments, à l'exception du LIGO. L'événement a été enregistré en Louisiane environ 7 millisecondes avant sa détection à Washington, juste à la bonne distance compte tenu de la vitesse à laquelle les ondes gravitationnelles se déplacent, et indique que la source se trouvait quelque part dans le ciel de l'hémisphère sud. Malheureusement, la fusion de deux trous noirs ne devrait pas produire de lumière, c'est donc la seule observation que nous avons de l'événement.

Figure\(\PageIndex{2}\) Signal produit par une onde gravitationnelle. (a) Le panneau supérieur montre le signal mesuré à Hanford, dans l'État de Washington ; le panneau central montre le signal mesuré à Livingston, en Louisiane. La fine courbe plus lisse de chaque panneau montre le signal prédit, basé sur la théorie générale de la relativité d'Einstein, produit par la fusion de deux trous noirs. Le panneau inférieur montre une superposition des ondes détectées dans les deux observatoires du LIGO. Notez la remarquable concordance entre les deux observations indépendantes et entre les observations et la théorie. (b) La peinture montre l'impression d'un artiste de deux trous noirs massifs s'enfonçant en spirale vers l'intérieur en vue d'une fusion éventuelle. (crédit a, b : modification de l'œuvre par SXS)

Cette détection par LIGO (et une autre d'une autre fusion de trous noirs quelques mois plus tard) a ouvert une toute nouvelle fenêtre sur l'univers. L'un des expérimentateurs a comparé les débuts de l'astronomie des ondes gravitationnelles à l'époque où les films muets étaient remplacés par des films sonores (comparant la vibration de l'espace-temps lors du passage d'une onde gravitationnelle aux vibrations produites par le son).

Fin 2018, LIGO avait détecté huit autres fusions de trous noirs. Six d'entre elles, comme la découverte initiale, impliquaient la fusion de trous noirs présentant une gamme de masses qui n'ont été observées que par des ondes gravitationnelles. Lors d'une fusion, des trous noirs d'une masse de 31 à 25 fois la masse du Soleil ont fusionné pour former un trou noir rotatif d'une masse d'environ 53 fois la masse du Soleil. Certains de ces événements ont été détectés non seulement par les deux détecteurs LIGO, mais également par un observatoire européen d'ondes gravitationnelles récemment opérationnel, Virgo. Un autre événement a été provoqué par la fusion de trous noirs de 40 et 29 masses solaires, et a donné lieu à un trou noir de 66 masses. Les astronomes ne savent pas encore exactement comment se forment les trous noirs dans cette gamme de masse.

Deux autres fusions détectées par LIGO impliquaient des trous noirs dont la masse stellaire était comparable à celle des trous noirs dans les systèmes binaires à rayons X. Dans un cas, les trous noirs fusionnés avaient des masses 14 et 8 fois supérieures à celles du Soleil. L'autre événement, détecté à nouveau par LIGO et Virgo, a été produit par la fusion de trous noirs d'une masse de 7 à 12 fois supérieure à celle du Soleil. Aucune des fusions de trous noirs n'a été détectée d'une autre manière que les ondes gravitationnelles. Il est fort probable que la fusion des trous noirs ne produise aucun rayonnement électromagnétique.

Fin 2017, les données des trois observatoires d'ondes gravitationnelles ont été utilisées pour localiser la position dans le ciel d'un cinquième événement, produit par la fusion d'objets dont la masse était comprise entre 1,1 et 1,6 fois la masse du Soleil. Il s'agit de la gamme de masse des étoiles à neutrons (voir La Voie lactée), donc dans ce cas, on a observé la spirale de deux étoiles à neutrons. Les données obtenues des trois observatoires ont permis aux scientifiques de préciser la zone du ciel où l'événement s'est produit. Le satellite Fermi a fourni une quatrième série de données d'observation, détectant simultanément un flash de rayons gamma, ce qui confirme l'hypothèse de longue date selon laquelle les fusions d'étoiles à neutrons sont les progéniteurs de courtes sursauts gamma (voir Le mystère des sursauts gamma). Le satellite Swift a également détecté un flash de lumière ultraviolette en même temps et dans la même partie du ciel. C'était la première fois qu'un événement d'onde gravitationnelle était détecté avec n'importe quel type d'onde électromagnétique.

Les observations combinées de LIGO, de Virgo, de Fermi et de Swift ont montré que cette source était située dans NGC 4993, une galaxie située à une distance d'environ 130 millions d'années-lumière en direction de la constellation de l'Hydre. Avec une position bien définie, les observatoires au sol pouvaient pointer leurs télescopes directement vers la source et obtenir son spectre. Ces observations ont montré que la fusion a éjecté de la matière ayant une masse d'environ 6 % de la masse du Soleil et une vitesse d'un dixième de celle de la lumière. Ce matériau est riche en éléments lourds, comme le prédisait la théorie des kilonovas (voir Sursauts gamma de courte durée : collision de cadavres stellaires). Les premières estimations suggèrent que la fusion a produit environ 200 masses terrestres d'or et environ 500 masses terrestres de platine. Cela montre clairement que les fusions d'étoiles à neutrons sont une source importante d'éléments lourds. Comme les détections supplémentaires de tels événements améliorent les estimations théoriques de la fréquence à laquelle se produisent les fusions d'étoiles à neutrons, il se peut fort bien que la grande majorité des éléments lourds aient été créés lors de tels cataclysmes.

L'observation de la fusion des trous noirs via les ondes gravitationnelles permet également de tester la théorie générale de la relativité d'Einstein, selon laquelle ses effets sont très forts, proches des trous noirs, et non faibles, car ils se situent près de la Terre. L'un des résultats remarquables de ces détections est que les signaux mesurés correspondent si étroitement aux prédictions théoriques faites à l'aide de la théorie d'Einstein. Une fois de plus, l'idée révolutionnaire d'Einstein s'avère être la bonne description de la nature.

En raison de l'importance scientifique des observations des ondes gravitationnelles, trois des chefs de projet LIGO, Rainer Weiss du MIT, et Kip Thorne et Barry Barish de Caltech, ont reçu le prix Nobel en 2017.

Plusieurs installations similaires à LIGO et Virgo sont en construction dans d'autres pays pour contribuer à l'astronomie des ondes gravitationnelles et nous aider à localiser plus précisément l'emplacement des signaux que nous détectons dans le ciel. L'Agence spatiale européenne (ESA) étudie la possibilité de construire un détecteur encore plus grand pour les ondes gravitationnelles dans l'espace. L'objectif est de lancer une installation appelée eLISA au milieu des années 2030. La conception nécessite trois bras détecteurs, chacun d'un million de kilomètres de long, pour que la lumière laser puisse voyager dans l'espace. Cette installation pourrait détecter la fusion de trous noirs supermassifs distants, qui aurait pu se produire lorsque la première génération d'étoiles s'est formée quelques centaines de millions d'années seulement après le Big Bang.

En décembre 2015, l'ESA a lancé LISA Pathfinder et a testé avec succès la technologie requise pour maintenir deux cubes en or et platine dans un état de repos parfait et en apesanteur, l'un par rapport à l'autre. Bien que LISA Pathfinder ne puisse pas détecter les ondes gravitationnelles, une telle stabilité est requise pour pouvoir détecter les petites variations de la longueur de trajet produites par le passage des ondes gravitationnelles.

Nous devons terminer en reconnaissant que les idées abordées dans ce chapitre peuvent sembler étranges et bouleversantes, surtout la première fois que vous les lisez. Les conséquences de la théorie générale de la relative prennent un certain temps à s'y habituer. Mais ils rendent l'univers plus étrange et plus intéressant que vous ne le pensiez probablement avant de suivre ce cours.

Concepts clés et résumé

La relativité générale prédit que le réarrangement de la matière dans l'espace devrait produire des ondes gravitationnelles. L'existence de telles ondes a été confirmée pour la première fois par l'observation d'un pulsar en orbite autour d'une autre étoile à neutrons dont les orbites se rapprochaient en spirale et perdaient de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. En 2015, LIGO a découvert les ondes gravitationnelles directement en détectant le signal produit par la fusion de deux trous noirs de masse stellaire, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre sur l'univers.

Lexique

onde gravitationnelle

une perturbation de la courbure de l'espace-temps causée par des modifications de la distribution de la matière ; les ondes gravitationnelles se propagent à (ou presque) à la vitesse de la lumière