ONDES GRAVITATIONNELLES

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Vers une nouvelle astronomie

La découverte des ondes gravitationnelles annoncée en février 2016 n’est pas restée longtemps une observation isolée dont l’interprétation soulèverait plus de questions que de promesses de progrès scientifique. En juin 2016, la collaboration LIGO-Virgo a publié le résultat d’une analyse concluant à la détection d’une autre onde gravitationnelle le 26 décembre 2015. Les deux premiers événements sont désormais dénommés GW150914 et GW151226, selon une convention référençant la nature (GW pour gravitational wave) et la date (année-mois-jour) de l’observation. En 2017, un troisième puis un quatrième événement (dénommés GW170104 et GW170608) étaient détectés lors de la seconde campagne d’observation (novembre 2016- août 2017) du dispositif américain. En août 2017, quelques semaines après que l’interféromètre européen Virgo avait enfin rejoint, dans une collaboration active, les deux interféromètres américains, la détection de l’événement GW170817 ouvrait la voie d’une localisation de la source par une technique de triangulation. Le signal d’une durée d’une centaine de secondes pouvait être attribué à la coalescence de deux étoiles à neutrons situées à quelque 130 millions d’années-lumière dans une zone du ciel de 28 degrés carrés. Fin 2018, les physiciens de la collaboration LIGO-Virgo publiaient un catalogue provisoire de onze événements détectés, dont dix étaient attribués à la coalescence de deux trous noirs et un à celle de deux étoiles à neutrons.

Cette dizaine de passages d’ondes gravitationnelles détectés par les interféromètres marque la naissance d’une nouvelle astronomie. L’astronomie traditionnelle est en effet fondée sur la détection des ondes électromagnétiques, qu’elles soient lumineuses ou qu’elles appartiennent à une autre partie du spectre : ondes radio, micro-ondes, rayons X, rayons gamma, etc. La détection des neutrinos – ceux émis par le Soleil mais aussi ceux émis par la supernova 1987-A dans le grand nuage de Magellan et détectés grâce aux grandes expériences de physique des particules dans les laboratoires souterrains – a permis l’émergence d’une seconde astronomie observationnelle. La détection des ondes gravitationnelles a ouvert une troisième fenêtre prometteuse sur l’observation d’événements catastrophiques dans des régions lointaines de l’Univers.

Il faut cependant se garder de l’impression simpliste que les détecteurs d’ondes gravitationnelles prennent un cliché de l’Univers comme les grands télescopes optiques sont capables de le faire. Le signal d’une coalescence de deux trous noirs n’est extrait des mesures qu’après un traitement extrêmement sophistiqué des données que seule une impressionnante batterie d’outils informatiques et statistiques permet d’effectuer. Le talent des fabricants d’images souvent promotionnelles qui présentent ce type de découvertes à un large public ne doit pas faire oublier le caractère très abstrait des « observations » récentes des astrophysiciens.

Même si ces trois techniques d’observation – optique, neutrino, gravitationnelle – ont chacune un domaine d’application privilégié, il importe que leurs résultats concernent parfois le même événement cosmique, comme cela avait été le cas pour l’astronomie optique et l’astronomie neutrino lors de la supernova 1987 A. L’observation en août 2017 de rayons gamma par les télescopes spatiaux Fermi et Intégral, mais aussi la détection d’une intense activité électromagnétique aux fréquences radio, infrarouges, optiques et X par de nombreux télescopes terrestres ont permis d’étayer solidement l’hypothèse que l’événement GW170817 provenait de la galaxie NGC 4993 dans la constellation de l’Hydre. Cette détection quasi simultanée a de plus permis de vérifier que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles était compatible avec la vitesse de la lumière.

Si le réseau des détecteurs interférométriques tient ses promesses, et si l’Univers est le théâtre de nombreux événements aussi spectaculaires par leur violence que ceux détectés entre septembre 2015 et août 2017, la moisson de résultats devrait s’enrichir rapidement et permettre de comprendre beaucoup mieux les caractéristiques des astres en fin d’évolution, mais aussi l’abondance des objets très compacts, et en particulier des trous noirs, dans l’Univers.

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Implantation de l’interféromètre du projet LIGO à Livingston

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

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Formation d’ondes gravitationnelles lors de la coalescence de deux trous noirs

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

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Fusion de trous noirs et ondes gravitationnelles

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

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Signal d’une onde gravitationnelle

Signal d’une onde gravitationnelle
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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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, « ONDES GRAVITATIONNELLES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/ondes-gravitationnelles/