Ondes gravitationnelles : Espionner le « côté obscur » de l’univers - Mai 2020

 

Ce graphique montre les résultats d’une simulation de deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre, générant de puissantes ondes gravitationnelles – le phénomène qui a été découvert par les détecteurs super-sensibles du LIGO le 14 septembre 2015. (Image : © C Henze/NASA AMES Research Center)

 

 

L’annonce du 11 février selon laquelle les scientifiques ont, pour la première fois, la preuve que l’espace lui-même vibre devrait déclencher une foule de découvertes sur des choses qui se heurtent dans l’obscurité habituelle.

 

La détection initiale des ondes dites gravitationnelles s’est produite en septembre, lorsqu’une paire de trous noirs, chacun environ 30 fois plus massif que le soleil, se sont rapprochés en spirale l’un de l’autre, puis ont fusionné en un nouveau trou noir plus grand, à plus de 1,3 milliards d’années-lumière.

 

En un éclair, l’accident a libéré l’équivalent de 50 fois l’énergie de toutes les étoiles de l’univers, assez puissant pour secouer légèrement les faisceaux laser en forme de L, de 2,5 miles de long sur Terre, qui constituent le cœur de l’observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser, ou LIGO.

 

Les observatoires du LIGO de Louisiane et de Washington venaient d’être modernisés lorsque la détection a été faite. Les scientifiques ont passé des mois à vérifier l’empreinte des ondes gravitationnelles, ce qui a modifié la longueur des bras de lumière laser d’une quantité 10 000 fois plus petite que le diamètre d’un proton. Pendant ce temps, le LIGO a continué à surveiller d’autres booms cosmiques qui secouent l’espace.

 

« Avant cela, nous ne savions même pas que les trous noirs existaient par paires », a déclaré la semaine dernière le physicien David Reitze de l’université de Floride, actuellement directeur de LIGO au California Institute of Technology, devant la commission scientifique de la Chambre des représentants.

 

« C’est le début d’une nouvelle astronomie », a ajouté le physicien de l’Institut de technologie du Massachusetts, David Shoemaker.

 

Les détecteurs du LIGO ont collecté des données pendant trois mois supplémentaires, puis se sont éteints pour se préparer à une augmentation encore plus importante de la sensibilité.

 

D’autres résultats n’ont pas encore été publiés, mais la physicienne Gabriela González, de l’université d’État de Louisiane, porte-parole de la collaboration scientifique du LIGO, a laissé entendre aux législateurs que la détection des trous noirs en fusion n’était pas un événement isolé.

 

« Nous avons vu un événement en un mois … nous ne pouvons donc faire des prévisions qu’à partir de ces données. Mais nous avons pris des données pour trois mois supplémentaires, que nous sommes toujours en train d’analyser et tout ce que nous voyons est cohérent avec ce que nous avons vu là-bas », a déclaré Mme Gonzalez.

 

A partir de modèles théoriques, les scientifiques s’attendent à pouvoir détecter au moins quelques vagues gravitationnelles par an, a-t-elle ajouté.

 

Les fusions de trous noirs ne sont pas les événements cosmiques susceptibles de faire vibrer le tissu de l’espace et du temps.

 

Les scientifiques espèrent que le LIGO détectera les grondements des étoiles à neutrons, qui sont les restes denses d’étoiles effondrées si chargées de matière qu’une seule cuillère à café pèserait 10 millions de tonnes.

 

En général, les étoiles à neutrons sont magnétisées et tournent, bien que l’on ne comprenne pas encore tout à fait comment cela fonctionne. Elles peuvent également exister par paires, ce qui donne aux scientifiques la possibilité de détecter non seulement les ondes gravitationnelles déclenchées par leurs interactions, mais aussi les rayons X, les ondes radio et les autres radiations électromagnétiques qu’elles produisent.

 

D’autres découvertes n’ont pas encore été publiées, mais la physicienne Gabriela González, de l’université d’État de Louisiane, porte-parole de la collaboration scientifique LIGO, a laissé entendre aux législateurs que la détection des trous noirs en fusion n’était pas un événement isolé.

 

« Nous avons vu un événement en un mois … nous ne pouvons donc faire des prévisions qu’à partir de ces données. Mais nous avons pris des données pour trois mois supplémentaires, que nous sommes toujours en train d’analyser et tout ce que nous voyons est cohérent avec ce que nous avons vu là-bas », a déclaré Mme Gonzalez.

 

A partir de modèles théoriques, les scientifiques s’attendent à pouvoir détecter au moins quelques vagues gravitationnelles par an, a-t-elle ajouté.

 

Les trous noirs de fusion ne sont pas les événements cosmiques susceptibles de faire vibrer le tissu de l’espace et du temps.

 

Les scientifiques espèrent que le LIGO détectera les grondements des étoiles à neutrons, qui sont les restes denses d’étoiles effondrées si chargées de matière qu’une seule cuillère à café pèserait 10 millions de tonnes.

 

En général, les étoiles à neutrons sont magnétisées et tournent, bien que l’on ne comprenne pas encore tout à fait comment cela fonctionne. Elles peuvent également exister par paires, ce qui donne aux scientifiques la possibilité de détecter non seulement les ondes gravitationnelles déclenchées par leurs interactions, mais aussi les rayons X, les ondes radio et les autres radiations électromagnétiques qu’elles produisent.

 

« Nous pouvons rassembler toutes ces informations … et en savoir plus que nous n’aurions jamais pu en savoir sans les ondes gravitationnelles ou sans cette combinaison, cette synergie d’informations », a déclaré M. Shoemaker.

 

Le LIGO pourrait également être en mesure de découvrir les explosions de supernovae, les étoiles qui s’effondrent, les cordes cosmiques et même ce que Shoemaker appelle les « défauts » du tissu entrelacé de l’espace-temps.

 

« Il y aura certainement des surprises. Chaque fois que nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l’univers, nous voyons de nouvelles choses », a déclaré M. Shoemaker.

 

Lorsque le LIGO reprendra son travail à la fin de l’été ou au début de l’automne, il pourrait être rejoint par le premier de plusieurs interféromètres laser prévus en dehors des États-Unis.

 

Virgo, un projet soutenu par la France et l’Italie, situé près de Pise en Italie, ajoutera une troisième oreille pour détecter et vérifier les ondes gravitationnelles et en localiser la source.

 

Virgo servira également de sauvegarde si l’un des deux détecteurs du LIGO américains est hors ligne. Il est essentiel d’avoir au moins deux détections simultanées pour pouvoir exclure d’éventuelles sources de vibrations terrestres.

 

Le Japon développe également un détecteur d’ondes gravitationnelles, et la semaine dernière, le gouvernement indien a donné son accord pour aller de l’avant avec le projet LIGO-Inde.

 

L’Europe teste également un détecteur d’ondes gravitationnelles basé dans l’espace, appelé LISA Pathfinder.

 

« Dans l’espace, au lieu d’avoir des bras de 4 km de long (pour détecter les ondes gravitationnelles), vous pouvez avoir des bras de 4 millions de km de long. Notre sensibilité augmente avec la longueur de ces bras », a déclaré M. Shoemaker.

 

Comme les ondes gravitationnelles, comme les radiations électromagnétiques, se propagent à des longueurs différentes, les scientifiques s’attendent à ce que plusieurs observatoires d’ondes gravitationnelles soient nécessaires pour étudier différents phénomènes.

 

« Nous regardons le côté obscur de l’univers, dont nous savons très peu de choses », a déclaré Mme Gonzalez.

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