ONDES GRAVITATIONNELLES

Implantation de l’interféromètre du projet LIGO à Livingston
LIGO

Dans la formulation de la relativité générale, une onde gravitationnelle est l’équivalent d’une onde électromagnétique (radio, lumineuse...) lorsqu’on considère un phénomène gravitationnel. Les équations d’Einstein qui régissent la théorie moderne de la gravitation prédisent que, de façon semblable au rayonnement de photons qui accompagne l’accélération d’une particule électriquement chargée et emporte une partie de l’énergie de cette particule, l’émission d’une onde gravitationnelle accompagnerait certaines modifications de la distribution de masse d’un système. Comme l’onde électromagnétique, l’onde gravitationnelle transporte de l’énergie et se déplace à la vitesse de la lumière, mais aucun formalisme cohérent ne sait actuellement la quantifier en « gravitons » comme l’onde électromagnétique l’est en termes de photons. 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. Le signal détecté en septembre 2015 par l’expérience LIGO – et son adéquation avec le signal attendu pour la coalescence de deux trous noirs – a été 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.

Formation d’ondes gravitationnelles lors de la coalescence de deux trous noirs
R. Hurt/ Caltech-JPL

Fusion de trous noirs et ondes gravitationnelles
Science Photo Library/ AKG-images

La relativité générale

Genèse de la relativité générale et principes

Après avoir proposé en 1905 la relativité restreinte,une nouvelle cinématique permettant de décrire de façon cohérente les phénomènes physiques qui mettent en jeu des vitesses proches de celle de la lumière, Albert Einstein entreprit de généraliser le principe de relativité qui la sous-tend et en déduisit en 1915 une nouvelle théorie de la gravitation fondée sur une difficile géométrie d’ espace-temps courbe. Alors que l’ approche newtonienne classique faisait appel au concept d’actions instantanées à distance, la relativité générale abolit cette notion au prix d’un bouleversement complet du cadre spatio-temporel.

L’idée centrale de la relativité générale est de considérer les phénomènes gravitationnels comme la conséquence du fait que l’espace-temps possède une courbure, au sens de la théorie mathématique des espaces de Riemann qui associe une géométrie non euclidienne à l’espace physique. Dans ces espaces, la plus courte distance entre deux points n’est pas un segment de droite, mais un segment de géodésique plus ou moins incurvé, et la somme des angles d’un triangle tracé avec ces géodésiques est différente de 180 degrés. La courbure de l’espace physique est minuscule sauf dans des situations extrêmes, par exemple à proximité d’un astre particulièrement compact. La courbure de l’espace-temps est due à la présence de masses ou d’énergie, et les équations d’Einstein relient mathématiquement la distribution d’énergie et ce degré de courbure.

La théorie de Newton devient alors un cas limite bien identifié de la nouvelle théorie de la gravitation ; elle décrit correctement les situations dans lesquelles les champs sont faibles et varient faiblement dans le temps, pourvu que les vitesses des objets restent petites devant celles de la lumière. C’est évidemment le cas pour la quasi-totalité des situations de la vie concrète pour lesquelles la gravitation newtonienne garde tout son intérêt.

Équations d’Einstein et solutions

Les équations d’Einstein sont des équations aux dérivées partielles qui relient le tenseur énergie-impulsion T_µν d’un système à une quantité, appelée[...]

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Écrit par

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

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Autres références

B.I.C.E.P. (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)
- Écrit par Bernard PIRE
- 716 mots
- 1 média
Le télescope B.I.C.E.P. (pour Background Imaging of CosmicExtragalacticPolarization, soit Imagerie de polarisation du fond cosmique extragalactique) est un instrument dédié à l’étude du rayonnement primordial. Il est installé sur le continent Antarctique et utilisé par des équipes de...
HUBBLE-LEMAÎTRE CONSTANTE DE
- Écrit par Mickael RIGAULT
- 2 491 mots
...il est possible d’extraire une distance. Si, en outre, on parvient à voir le flash lumineux associé à l’événement qui est à l’origine de cette émission d’onde gravitationnelle, comme cela a été le cas lors de la fusion de deux étoiles à neutrons détectée le 17 août 2017 (événement appelé kilonova GW170817),...
LICHNEROWICZ ANDRÉ (1915-1998)
- Écrit par Jean-Luc VERLEY
- 598 mots
Mathématicien français dont les travaux portent sur la géométrie différentielle, la mécanique et la physique mathématique. Né le 21 janvier 1915 à Bourbon-L'Archambault (Allier), élève de l'École normale supérieure, André Lichnerowicz a enseigné dans les universités de Strasbourg (1941-1949),...
MÉDAILLE D'OR DU CNRS 2017
- Écrit par Pierre LÉNA
- 1 696 mots
- 2 médias
Le 27 septembre 2017, deux physiciens français, Alain Brillet et Thibault Damour, reçoivent la médaille d’or du CNRS qui récompense leurs travaux ayant joué un rôle déterminant dans la détection des ondes gravitationnelles. Ces ondes sont d’infimes déformations de l’espace-temps,...
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MÉDAILLE D'OR DU CNRS 2017