La Terre a entendu un chant dans l’espace-temps

Un bruit court sur la toile. Il ne s’agit pas d’une rumeur, mais d’un son. Il dure à peine le temps d’une inspiration. Cet écho, tout droit extirpé des profondeurs de l’univers, plonge nos oreilles dans le silence interstellaire. Il nous livre une bande originale de science fiction. Car ce son est le chant des ondes gravitationnelles. Cet enregistrement confirme de façon « tangible » les prévisions de la théorie de la relativité générale d’Einstein, élaborée il y a un siècle. Il signe l’existence d’ondes d’énergie émises selon l’équation E=mc2. Issues d’événements précis, celles-ci se propagent dans l’espace-temps sans déperdition, mais également sans être visibles. Ce son marque ainsi une révolution.

Pour la première fois, le 14 septembre 2015, les humains ont capturé dans le ciel le signal d’un phénomène physique non lumineux, situé à 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. Or, cette performance aurait été impossible sans l’heureuse convergence des avancées technologiques et théoriques. Pendant un siècle, les physiciens théoriciens ont imaginé, à partir des équations d’Einstein, quels corps, quelles sources pourraient bien émettre les ondes gravitationnelles, si celles-ci existaient véritablement. Car pour Einstein, la gravitation n’est plus une force d’attraction mais une déformation de l’espace-temps. En conséquence, la Terre tourne autour du Soleil parce qu‘elle suit une trajectoire linéaire… dans un milieu courbe.

Ceci établi, Einstein émet alors l’hypothèse, en 1916, que des masses très importantes contenues dans l’espace-temps, quand elles s’accélèrent, pourraient émettre des ondes d’énergie. Il pense toutefois alors que ces sortes de rides de l’espace-temps resteront à jamais impossibles à déceler. Après lui, des générations de physiciens théoriciens ont néanmoins élaboré des scénarios, postulé sur des événements jamais observés susceptibles d’émettre lesdites ondes. Parmi eux, figurait la coalescence de deux trous noirs (leur mise en orbite de plus en plus rapide l’un autour de l’autre jusqu’à ce qu’ils s’amalgament). Si ce phénomène s’avérait suffisamment puissant, il devait être possible de le capter au moyen d’une instrumentation adaptée.

Faire le tri parmi des milliers d’événements possibles

Les équipes scientifiques internationales ont donc également bâti des interféromètres géants, aux Etats-Unis puis en Italie et bientôt au Japon. Vus d’avion, ces appareils étirent sur le sol deux bras « en L », strictement identiques et longs de trois à quatre kilomètres. À l’intérieur, un laser extra-stable émet des rayons voués à se réfléchir sur des miroirs, eux-mêmes en suspension dans un quasi vide. « Au passage des ondes gravitationnelles, s’opère un changement de distance entre deux objets et ce changement dépend de la distance initiale qui les sépare. D’après les calculs, on doit mesurer une variation de 10^–18m, autrement dit égale à un millième d’atome, pour 100km de trajet ! », explique Catherine-Nary Man, directrice du laboratoire ARTEMIS (1), engagé dans la collaboration internationale LIGO-Virgo (du nom des interféromètres actuellement en service).

« Nous traduisons cette modification de l’espace-temps comme une modification de l’indice de l’air », poursuit-elle. Quand l’onde gravitationnelle traverse les bras de l’interféromètre, elle donne l’illusion d’en « allonger » un et de « raccourcir » l’autre. En pratique, les faisceaux lasers vont se réfléchir sur les miroirs avec un infime décalage. Se produit alors un signal d’interférences lumineuses. « Il existe à l’heure actuelle quelques milliers de patrons-type de signatures possibles des signaux, élaborés par les théoriciens », précise Catherine-Nary Man. Néanmoins, leur image apparaît d’abord brouillée sur les écrans, en raison de l’énorme quantité de bruits parasites captés dans l’interféromètre. Détecter les ondes gravitationnelles a donc nécessité un traitement du signal minutieux, autrement dit de nettoyer les bandes.

« Toute une série de capteurs nous permet d’enregistrer les sons parasites de l’environnement et de les archiver dans une banque de données. Ensuite on les soustrait aux signaux capturés à l’intérieur de l’interféromètre », explique la directrice du laboratoire ARTEMIS. « On essaye enfin de calquer le résultat sur les modèles théoriques disponibles », poursuit-elle. Chaque « signature » correspond à un événement mettant en jeu des objets de masse donnée et situés à une certaine distance de la Terre. Les oscillations rendues publiques sur Internet le 11 février 2016 « montrent » ainsi un événement parfaitement imprévisible, dont la durée est estimée entre une fraction de seconde et quelques secondes…

L’intuition à l’épreuve de la science

Il s’agit de la perte d’énergie résultant de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 masses solaires chacun. « Ils tournaient à la fin l’un autour de l’autre avec une vitesse avoisinant la moitié de la vitesse de la lumière. Il s’agit donc d’un événement d’une extrême violence ! », souligne Catherine-Nary Man. Sans cela, les ondes gravitationnelles n’auraient d’ailleurs pas pu être détectées. Mais c’est désormais avéré. Il existe des émissions d’énergie non lumineuse, des perturbations, qui se propagent dans un espace courbe à quatre dimensions appelé espace-temps. Et aucune de ces dimensions ne ressemble à ce que nos sens assimilent à la durée et à la distance !

L’espace-temps ressemblerait plutôt à une entité géométrique embrassant, pour tous les objets qu’il contient, tous les événements de leur « vie », reliés de façon continue en « lignes d’univers » plus ou moins longues. Dans ce milieu, chaque objet possède son temps propre et les « lignes d’univers » suivent une déformation, une courbure, déterminée par le contenu énergétique de l’environnement. Autrement dit, quand deux trous noirs fusionnent avec une perte globale de masse égale à trois masses solaires, cela se répercute sur la courbure de l’espace-temps. Enfin, à la différence des ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles ne semblent arrêtées par rien. Elles ont donc traversé la Terre, le 14 septembre, identiques à ce qu’elles étaient il y a plus d’un milliard d’années.

Reste à savoir s’il existe, pour les décrire, l’équivalent du « photon » lumineux, un hypothétique « graviton ». La mise en service d’une antenne spatiale d’interférométrie laser, baptisée projet LISA, devrait également donner lieu à de nouvelles investigations. En effet, capter des signaux depuis l’espace permettra par exemple de s’affranchir du bruit sismique. « Il s’agit des signaux engendrés sur Terre par toutes les masses, comme les masses d’air, qui se déplacent et qui constituent un « mur » au sens où ils sont impossibles à nettoyer », explique la directrice du laboratoire ARTEMIS. LISA va ainsi accéder à une autre gamme de fréquences et pourra détecter, par exemple, des trous noirs de quelques millions de masses solaires, dont certains sont présents au centre des galaxies.

Mais surtout, cette antenne pourra accéder au « fond stochastique » d’ondes gravitationnelles. « Ce sont des ondes graves, émises à très très basse fréquence. Comme elles sont très nombreuses, elles produisent un « bruit » énorme, qui là va devenir audible. Or, une partie de ces signaux serait théoriquement émise par le Big Bang », s’enthousiasme Catherine-Nary Man. Actuellement, les instruments ne permettent de « voir » que 300 000 années après l’événement le plus mystérieux et le plus déterminant de l’histoire de l’univers.

(1) Le laboratoire ARTEMIS de l’Observatoire de la Côte d’Azur présente une expertise sur le calcul des sources d’ondes gravitationnelles possibles, l’élaboration d’instrumentation laser très stable et le traitement du signal.

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