Un siècle après qu’Einstein eut proposé leur existence dans sa théorie de la relativité générale, des scientifiques ont enfin vérifié que les ondes gravitationnelles et les trous noirs existent.

Dans une annonce faite à Washington, DC, ce jeudi, des scientifiques de Caltech, du MIT, et du projet LIGO ont présenté des preuves solides de leur découverte.

« Mesdames et messieurs, nous avons détecté des ondes gravitationnelles. Nous avons réussi. » [traduction], a alors déclaré David Reitze.

Cette annonce survient 5 mois après que l’aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Observatoire avancé d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser) eut commencé à recueillir des données après une mise à niveau complète qui a accru de manière significative la sensibilité de ses détecteurs.

[Pour une initiation scientifique, consultez le numéro de Slice of PI (Tranche d’IP) sur les ondes gravitationnelles.]

Aux petites heures du 14 septembre 2015, au cours d’un test technique mené quelques jours avant le début officiel de la recherche, deux détecteurs de l’LIGO ont enregistré un signal très caractéristique.

« C’était exactement ce que la relativité générale d’Einstein prédisait dans le cas de deux trous noirs fusionnant après avoir tourné en spirale l’un autour de l’autre, a dit M. Reitze. Il a fallu des mois de vérifications et contre-vérifications soignées pour nous assurer que ce que nous avions vu correspondait à une onde gravitationnelle. Et nous nous sommes convaincus que c’était le cas. » [traduction]

Ces ondes gravitationnelles ont été produites lorsque deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d’années, a-t-il ensuite expliqué aux journalistes et scientifiques réunis pour cette annonce.

« L’intérêt ne réside pas seulement dans la détection d’ondes gravitationnelles. C’est ce qui vient ensuite qui est réellement passionnant. Il y a 400 ans, Galilée a pointé un télescope vers le ciel et a ouvert l’ère de l’astronomie observationnelle moderne. J’estime que ce que nous faisons aujourd’hui est tout aussi important. Je crois que nous ouvrons l’ère de l’astronomie gravitationnelle. » [traduction]

Que sont les ondes gravitationnelles?

[caption id="" align="alignnone" width="220"]Représentation artistique d’ondes gravitationnelles (crédit : NASA)[/caption]

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps, créées lorsque deux objets massifs – tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons – tournent l’un autour de l’autre à des vitesses extrêmement élevées et entrent en collision.

Mises de l’avant pour la première fois il y a 100 ans comme une conséquence de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, elles ont tenu en haleine autant les théoriciens que les expérimentateurs, étant l’un des rares éléments de la théorie à ne pas avoir été prouvé de manière expérimentale… jusqu’à maintenant.

« C’était un formidable défi scientifique, a déclaré M. Reitze, et nous l’avons relevé avec succès. » [traduction]

Le LIGO, système de deux interféromètres identiques visant à détecter sur leur passage les minuscules vibrations des ondes gravitationnelles, a été conçu et construit par des chercheurs du MIT et de Caltech, avec le soutien financier de la Fondation nationale des sciences des États-Unis.

La première expérience réalisée à l’aide du LIGO s’est déroulée de 2002 à 2010 pour valider le concept. Après d’importantes améliorations aux détecteurs situés en Louisiane et dans l’État de Washington, le LIGO avancé a réalisé sa première séance d’observations en septembre 2015.

Gabriela González est porte-parole du LIGO avancé ainsi que titulaire d’une chaire de chercheur invité distingué de l’Institut Périmètre. Elle dit que ce fut un effort de longue haleine. « Ça a été un long voyage », a-t-elle déclaré lors de la conférence de presse.

La première détection, à l’observatoire de la Louisiane, correspondait à une valeur de pointe de 10⁻²¹ mètre. « C’est une minuscule fraction du diamètre d’un proton, a dit Mme González, par rapport à 4 kilomètres [la longueur du détecteur du LIGO].

« Nous savons que ce signal était réel, puisque 7 millisecondes plus tard, nous avons observé la même chose au détecteur de Hanford. Voilà comment nous savons que ce sont des ondes gravitationnelles. » [traduction]

Ces signaux correspondent exactement à ce que la gravitation einsteinienne prédit pour la fusion de deux trous noirs. Ils indiquent de plus que l’onde transportait une quantité d’énergie correspondant à 3 fois la masse du Soleil.

« Ce n’est que le début, a poursuivi Mme González. Maintenant que nous savons qu’il y a des trous noirs binaires, nous allons nous mettre à écouter l’univers. » [traduction]

Dans un article publié dans Physical Review Letters, les chercheurs disent que le signal est si fort qu’il dépasse la norme des « 5 sigmas » de signification statistique utilisée par les physiciens pour affirmer qu’ils ont fait une découverte.

L’astrophysicien Kip Thorne, cofondateur du projet LIGO, a présenté une simulation de la fusion de trous noirs qui a créé l’onde gravitationnelle.

« La tempête a été brève – 20 millisecondes – mais très puissante, a dit M. Thorne. La puissance produite était 50 fois celle de toutes les étoiles de l’univers réunies.

« Comme la tempête a été extrêmement brève, l’énergie totale qu’elle a dégagé correspond à ce que donnerait l’annihilation de 3 fois la masse du Soleil transformée en ondes gravitationnelles. » [traduction]

Le détecteur LIGO de Hanford, dans l’État de Washington (crédit : LIGO)

Une nouvelle ère pour la science

Neil Turok, directeur de l’Institut Périmètre, a qualifié cette découverte de l’un des plus grands moments de l’histoire de la science.

« Les mesures de LIGO, a déclaré M. Turok, confirment de manière spectaculaire non seulement une, mais deux des prédictions clés de la théorie de la gravitation d’Einstein : l’existence d’ondes gravitationnelles et l’existence de trous noirs.

« Einstein a fondé sa théorie sur des indices fournis par l’expérience et par des théories antérieures, mais plus encore sur l’intuition remarquable que la gravitation est due à une déformation de l’espace-temps. Un siècle plus tard, nous voyons ses prédictions vérifiées avec une grande précision. Cela nous enseigne quelque chose sur le pouvoir qu’a l’esprit humain de comprendre la nature à son niveau le plus fondamental. » [traduction]

Et en plus de vérifier la théorie d’Einstein, la détection d’ondes gravitationnelles par le projet LIGO fournit à la science un nouvel outil qui pourrait permettre de répondre à de nombreuses autres questions fondamentales.

Et cela pourrait mener les chercheurs à la prochaine grande théorie scientifique. C’est du moins l’opinion émise par Luis Lehner, chercheur à l’Institut Périmètre, lors de la table ronde sur les ondes gravitationnelles organisée par l’Institut après l’annonce du projet LIGO. (Vous pouvez visionner cette table ronde ici.)

« Lorsque nous aurons davantage de données, a dit M. Lehner, il se pourrait que nous voyions des écarts [par rapport aux prévisions] pouvant pointer vers une théorie remplaçant la relativité. » [traduction]

Avec l’entrée en service d’autres détecteurs d’ondes gravitationnelles au cours des prochaines années, les scientifiques pourront obtenir une information de plus en plus riche sur l’univers qui nous entoure.

Et M. Lehner d’ajouter : « Nous aurons ainsi un réseau très important qui nous affranchira des découvertes accidentelles en astronomie, du moins pour certaines sources. » [traduction]

Pour de nombreux scientifiques, la perspective la plus exaltante de l’astronomie des ondes gravitationnelles est la possibilité de sonder l’univers « sombre » : des objets et des forces qui n’absorbent, ne réfléchissent ni n’émettent aucune lumière, mais qui constituent pourtant jusqu’à 96 % de l’univers.

Avery Broderick, professeur associé à l’Institut Périmètre, a déclaré qu’il s’agit d’une mutation majeure de l’astronomie, qui étudie depuis 10 000 ans la partie lumineuse de l’univers.

« L’histoire et l’expérience nous montrent, a-t-il expliqué, que lorsque nous aurons cette nouvelle fenêtre sur l’univers, nous trouverons des choses totalement différentes et inattendues. Cela s’est déjà produit en astronomie : lorsque nous avons ouvert des fenêtres dans le spectre des rayons X et des ondes radio, nous avons découvert un univers totalement différent.

« Je serais surpris que ce ne soit pas la même chose lorsque nous porterons un regard gravitationnel sur l’univers : nous devrions voir un univers totalement différent dans le spectre des ondes gravitationnelles. Cela sera absolument essentiel pour comprendre comment l’univers sombre et l’univers lumineux cohabitent. » [traduction]

Latham Boyle, cosmologiste à l’Institut Périmètre, est lui aussi enthousiaste à l’idée des nouvelles connaissances que les ondes gravitationnelles pourraient susciter. Comme il l’a expliqué lors de la table ronde tenue à l’Institut, des dizaines d’années se sont écoulées entre la découverte des ondes radio et leur utilisation en astronomie.

« Pendant 40 ou 50 ans, personne n’a construit de radiotélescope. Quand enfin les scientifiques s’y sont mis, ils ont fait une myriade de découvertes extraordinaires. Il y a eu entre autres le rayonnement fossile, sorte d’égoportrait cosmique, les pulsars et les quasars.

« Si quelqu’un avait suggéré l’existence de tout ce qui a été ainsi découvert, il aurait été traité de fou. Mais dès que l’on a mis en marche ces nouveaux appareils d’observation, on s’est rendu compte que tout cela existait. L’histoire montre que l’on ne cesse de découvrir des phénomènes de plus en plus extraordinaires. C’est l’une des choses qui me passionnent le plus. » [traduction]

-Tenille Bonoguore

POUR EN SAVOIR PLUS

Introduction :

• Tranche d’IP : Gravitational Waves 101 (Ondes gravitationnelles 101)
• Tranche d’IP : General Relativity from A to Z (La relativité générale de A à Z)
• Bande dessinée et vidéo : Expliquez-moi les ondes gravitationnelles

Ressource pédagogique :

• Discovering Gravitational Waves est disponible sans frais à la boutique de l’IP.

Niveau avancé :

• Communiqué de presse de LIGO : Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s Prediction
• Dans Physical Review Letters : Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
• Cours de maîtrise du programme PSI : Explorations in Numerical Relativity, donné par Luis Lehner et Frans Pretorius