Le LIGO confirme la détection des ondes gravitationnelles

1 siècle après qu’Albert Einstein a prédit les ondes gravitationnelles, les scientifiques les ont finalement détectés dans l’espace-temps.


Les chercheurs du LIGO confirment la détection des ondes gravitationnelles. Une nouvelle ère d'observation vient de s'ouvrir pour mieux comprendre l'univers.
Les chercheurs du LIGO pendant l'annonce des ondes gravitationnelles.

Il fallait juste une confirmation de toutes les rumeurs qui ont couru ces dernières semaines. Les physiciens du (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ont révélé le 11 février que leurs détecteurs ont entendu le bourdonnement gravitationnel qui est produit par la collision de 2 trous noirs qui sont situés à environ 400 mégaparsecs (1,3 milliard d’années-lumières) de la Terre.

Mesdames et messieurs, nous avons détecté les ondes gravitationnelles selon David Reitze, le directeur exécutif du laboratoire du LIGO. Nous l’avons fait ! Le premier trou noir est environ 36 fois plus massif que la masse du soleil et le second est environ 29 fois plus massif. Ils se sont attiré de manière inexorable l’un vers l’autre et ils ont fusionné dans un seul trou noir supermassif qui équivaut à 62 fois la masse du soleil. Ces observations étonnantes sont la confirmation de nombreux travaux théoriques incluant la relativité générale d’Einsein qui a prédit les ondes gravitationnelles selon Stephen Hawking. Hawking a ajouté qu’Einstein n’avait jamais cru au trou noir.

C’est la première fusion de trous noirs observée par les scientifiques. Cet événement violent émet temporairement une énergie plus violente sous la forme d’ondes gravitationnelles. L’énergie émise est plus puissante que toute la lumière des étoiles dans l’univers observable.

Une vidéo qui illustre la fusion de 2 trous noirs :

Quand on les compare à des sons, les ondes gravitationnelles font une sorte de pépiement. Une note qui s’élève rapidement vers l’aigu vers une note plus basse. C’est le pattern de la radiation qui provient du trou noir qui a fusionné. L’intensité du signal enregistré a fourni une mesure approximative sur la période de la fusion des trous noirs. Cela s’est produit de 600 millions à 1,8 milliard d’années. Les résultats de la détection des ondes gravitationnelles seront publiés dans Physical Review Letters et l’Astrophysical Journal.

Cette découverte historique, qui vaudra surement un prix Nobel aux chercheurs du Ligo, ouvre une nouvelle ère dans l’ basée sur les ondes gravitationnelles. Les scientifiques pourront écouter ces ondes pour en apprendre plus sur les objets qui les produisent incluant les trous noirs, les étoiles à neutron et les supernovae. C’est juste la première étape d’un développement plus grand et plus excitant selon Ilya Mandel, un physicien théoricien de l’université de Birmingham. Les ondes gravitationnelles vont rejoindre les rayons X et Y dans la boite à outils pour comprendre l’univers. C’est aussi une victoire éclatante pour le LIGO qui a passé 10 ans à chercher la dans les années 2000. Ensuite, le LIGO a été mis à jour pour un cout de 200 millions de dollars afin d’améliorer la sensibilité de ses détecteurs jumeaux. Le premier détecteur est à Livingston en Louisiane et le second est à Hanford à Washington.

La découverte de la vague gravitationnelle

La découverte des ondes gravitationnelles a été faite avant la mise à jour du LIGO, mais c’est les nouveaux détecteurs qui ont permis d’enregistrer les données. En fait, on a détecté la vague gravitationnelle 14 septembre 2015 à 11 heures CET. On l’a détecté dès la première observation lorsque Marco Drago, un physicien du LIGO à l’institut Max Planck en Allemagne, a vu un signal étrange sur son ordinateur.

Le signal confirmé de l'onde gravitationnelle par le LIGO

Le signal confirmé de l’ par le LIGO

Le logiciel, qui analyse les données en temps réel, indiquait que les 2 interféromètres ont vu une onde qui ressemblait au pépiement d’un oiseau avec une intensité qui augmentait rapidement. En une heure, la nouvelle a atteint le supérieur de Drago, le physicien Bruce Allen. Le signal semblait trop beau pour être vrai. Quand je l’ai vu, j’ai pensé que c’était un bruit parasite ou quelque chose d’autre selon Allen. C’était une oscillation qui a commencé à 35 cycles par secondes (hertz) et qui a augmenté à 250 hertz. Le signal est devenu chaotique et il s’est arrêté. Le signal a duré exactement 1 quart de seconde. Mais le point crucial est que les 2 détecteurs l’ont vu quasiment en même temps. Livingston a été le premier suivi par Hanford qui l’a détecté 7 millisecondes plus tard. Le délai est une indication de la manière dont les ondes gravitationnelles atteignent la Terre.

Le son d’une onde gravitationnelle (ce qui fait ce son indique l’impact de la fusion de 2 trous noirs sur l’espace-temps) :

Les autres détecteurs d’ondes gravitationnelles, le VIRGO à coté de Pise en Italie et le GEO600 à côté de Hanovre, ne fonctionnaient pas en même temps et ils ne peuvent pas donc confirmer les ondes gravitationnelles du LIGO. Mais selon Fulvio Ricci, le porte-parole du VIRGO : Le VIRGO l’aurait détecté en même temps que LIGO s’il fonctionnait. Les scientifiques du LIGO ont contrôlé plusieurs fois si le signal était bon et on peut dire qu’il n’y a quasiment aucun doute.

Dans le passé, quelques membres seniors du LIGO ont testé la capacité du groupe à valider une découverte de vague gravitationnelle en insérant secrètement des injections aveugles de fausses ondes gravitationnelles dans le flux de donnée pour déterminer si l’équipe est capable de différencier entre les vrais et faux signaux. Mais la détection de septembre s’est produite avant la mise en place des injections aveugles et cela signifie que le signal provenait forcément d’un phénomène astrophysique dans l’univers.

Pour trouver la source des ondes gravitationnelles, les chercheurs doivent trianguler le signal par différentes machines autour de la Terre. Quand les 2 détecteurs du LIGO vont travailler avec le VIRGO et le GEO600, les scientifiques pourront trouver la source des ondes gravitationnelles. Un autre interféromètre est en construction au Japon et un troisième détecteur du LIGO a été proposé en Inde. Une meilleure répartition géographique du signal permet de renforcer la confiance qu’on voit vraiment des ondes gravitationnelles.

Une détection directe

Une animation des ondes gravitationnelles

Une animation des ondes gravitationnelles. Crédit : Quanta Magazine.

La relativité générale d’Einstein prédit que n’importe quel événement cosmique, qui perturbe la structure de l’espace-temps avec suffisamment de force, doit produire des ondes gravitationnelles qui se propagent à travers l’univers. En fait, la Terre devrait être inondée avec les ondes gravitationnelles, mais leurs perturbations deviennent infimes avec le temps qu’elles mettent à nous atteindre. En 1974, les astronomes Russell Hulse et Joseph Tayloor ont détecté un Pulsar binaire. C’est une paire de 2 étoiles mortes qui émettaient des impulsions d’ondes radio. Hulse et Taylor ont réalisé que les 2 pulsars perdaient leurs énergies et qu’ils tournaient lentement en spirale l’un envers l’autre dans une manière qui était consistante avec les équations de la relativité générale. On pense que cette énergie manquante a été émise sous forme d’ondes gravitationnelles. Ces travaux leur ont valu le prix Nobel de en 1993.

Mais il a fallu attendre la sensibilité de l’Advanced Ligo pour avoir une détection directe des ondes gravitationnelles. Ces détecteurs peuvent détecter des étirements et des compressions qui sont aussi infimes qu’une valeur de 1022. On peut la comparer avec le changement de la largeur d’un cheveu dans la distance entre le soleil et l’Alpha du Centaure, l’étoile la plus proche par rapport au système solaire.

Les 2 interféromètres du LIGO envoient des rayons laser entre des miroirs aux extrémités de tuyaux sous vide d’une longueur de 4 kilomètres. Ces tuyaux sont placés perpendiculairement l’un par rapport à l’autre. Une vague gravitationnelle, qui passe à travers , va altérer la longueur d’un des bras ce qui va provoquer une légère désynchronisation du rayon laser. Financées par la fondation nationale scientifique américaine, les machines ont été conçues par le Caltech (California Institute of Technology) et le MIT. Kip Thorne et Ronald Drever de Caltech ainsi que Rainer Weiss du MIT en sont les concepteurs originaux.

Il y a près de 1 000 scientifiques qui collaborent au LIGO. En étudiant les ondes gravitationnelles, cette prochaine génération de chercheurs espère découvrir de nouveaux royaumes de la physique. On peut citer le champ de force gravitationnel, l’univers à ses débuts et comment la matière se comporte à des densités très fortes. Hawking a déclaré qu’il voulait utiliser les ondes gravitationnelles pour tester son théorème de zone : La zone externe d’un trou noir est supérieure à la somme de toutes ses zones internes. Cette découverte est spectaculaire, car elle est à la fois la conclusion sur des théories révolutionnaires prédites par un certain Einstein et le début d’une nouvelle ère dans la compréhension de l’univers.

 

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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