GRAVITATION

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Les ondes gravitationnelles confirment la théorie de la relativité générale

Dans la formulation de la relativité générale, une onde gravitationnelle est l’équivalent d’une onde électromagnétique lorsqu’on considère un phénomène gravitationnel tel que l’effondrement d’une étoile. En 1918, Einstein démontre que ses équations prédisent que l’émission d’une onde gravitationnelle doit accompagner certaines modifications de la distribution de masse d’un système, de façon semblable au rayonnement qui accompagne l’accélération d’une particule électriquement chargée et emporte une partie de l’énergie de cette particule. Comme l’onde électromagnétique, l’onde gravitationnelle transporte de l’énergie et se déplace à la vitesse de la lumière. L’émission d’ondes gravitationnelles disparaît dans la limite des champs de gravitation variant faiblement avec le temps – la limite « classique » où la relativité générale s’identifie avec la théorie de la gravité de Newton. La faiblesse intrinsèque de l’interaction gravitationnelle rend extraordinairement difficile la mise en évidence expérimentale de ce type d’onde, dont l’amplitude décroît comme l’inverse de la distance à leur source. Leur fréquence dépend du processus qui leur donne naissance : selon le type d’événements cosmiques considérés, elles peuvent varier de quelques centaines de hertz à moins d’un femtohertz. Deux types d’événements catastrophiques sont susceptibles d’engendrer des ondes détectables à grande distance : l’effondrement gravitationnel d’un astre compact et la coalescence d’un système binaire.

Si la recherche des ondes gravitationnelles reste pendant de nombreuses décennies au stade de projet irréaliste, les physiciens des collaborations internationales LIGO et Virgo apportent cependant entre 2015 et 2018 une réponse positive à cette quête. Le signal détecté en septembre 2015 par l’imposant interféromètre de l’expérience LIGO – et son adéquation avec le signal attendu pour la coalescence de deux trous noirs – est la première indication expérimentale de la pertinence de ce concept issu de la physique théorique. Il est l’événement fondateur d’une nouvelle astronomie de l’univers lointain et en particulier de ses événements les plus violents. Cette première observation des ondes gravitationnelles est rapidement suivie d’autres qui confirment sa pertinence : fin 2018, les physiciens de la collaboration LIGO-Virgo publient un catalogue provisoire de onze événements détectés, dont dix sont attribués à la coalescence de deux trous noirs et un à celle de deux étoiles à neutrons.

Implantation de l’interféromètre du projet LIGO à Livingston

Photographie : Implantation de l’interféromètre du projet LIGO à Livingston

Photographie aérienne du site de l'interféromètre LIGO à Livingston. Les faisceaux laser permettant la détection des ondes gravitationnelles circulent à l'intérieur des deux bras, longs de quatre kilomètres, qui forment un angle droit au niveau des bâtiments centraux. 

Crédits : LIGO

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « GRAVITATION », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 16 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/gravitation/