Que sont les ondes gravitationnelles?

Lundi (16 octobre 2017), LIGO et Virgo ont annoncé la première détection d'ondes gravitationnelles produites par des étoiles à neutrons en collision. Mais quelles sont les ondes gravitationnelles? Voici une explication de Gren Ireson, Nottingham Trent University

Pour mieux comprendre le phénomène, revenons quelques siècles en arrière. En 1687, lorsque Isaac Newton publia son Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, il envisagea la force gravitationnelle comme une force attractive située entre deux masses - que ce soit la Terre et la Lune ou deux pois sur une table. Cependant, la nature de la transmission de cette force était moins bien comprise à l'époque. En effet, la loi de la gravitation n'a pas été testée avant que le scientifique britannique Henry Cavendish ne le fasse en 1798, tout en mesurant la densité de la Terre.

En 1916, quand Einstein présenta aux physiciens une nouvelle façon de concevoir l’espace, le temps et la gravité. En s’appuyant sur des travaux publiés en 1905, la théorie de la relativité générale a établi un lien entre ce que nous considérons communément comme des entités séparées - l’espace et le temps - dans ce que nous appelons maintenant «l’espace-temps».

L'espace-temps peut être considéré comme le tissu de l'univers. Cela signifie tout ce qui bouge, bouge à travers. Dans ce modèle, tout ce qui a une masse déforme le tissu espace-temps. Plus la masse est grande, plus la distorsion est grande. Et comme chaque objet en mouvement se déplace dans l'espace-temps, il suivra également les distorsions causées par les objets de grande masse.

Une façon de penser à cela est de considérer deux enfants, l'un plus lourd que l'autre, jouant sur un trampoline. Si nous traitons la surface du trampoline comme un tissu, l’enfant plus massif le déforme plus que l’autre. Si un enfant place une balle près des pieds de l'autre, la balle roulera ou suivra la distorsion vers ses pieds. De même, lorsque la Terre tourne autour du soleil, sa masse énorme déforme l’espace qui l’entoure, laissant notre planète relativement minuscule suivre le chemin le plus «droit» possible, mais dans un espace incurvé. C'est pourquoi il finit par tourner autour du soleil.

Trampolines: amusant et éducatif. Image via cotrim / pixabay.

Si nous acceptons cette simple analogie, alors nous avons les bases de la gravité. Passer aux ondes gravitationnelles est une étape petite mais très importante. Laissez l’un des enfants sur le trampoline tirer un objet lourd sur la surface. Cela crée une ondulation sur la surface qui peut être observée. Une autre façon de le visualiser consiste à envisager de déplacer votre main dans l'eau. Les ondulations ou les vagues se propagent depuis leur origine mais se décomposent rapidement.

Tout objet se déplaçant à travers le tissu espace-temps provoque des ondes ou des ondulations dans ce tissu. Malheureusement, ces ondulations disparaissent également assez rapidement et seuls les événements les plus violents produisent des distorsions suffisamment importantes pour être détectées sur Terre. Pour mettre cela en perspective, la collision de deux trous noirs d'une masse dix fois supérieure à celle de notre soleil entraînerait une onde qui causerait une distorsion de 1% du diamètre d'un atome lorsqu'il atteindrait la Terre. Sur cette échelle, la distorsion est de l'ordre d'un changement de diamètre de la Terre de 0, 0000000000001m par rapport au changement de 1 m dû à un renflement de marée.

A quoi peuvent servir les ondes gravitationnelles?

Étant donné que ces ondulations sont si petites et si difficiles à détecter, pourquoi avons-nous fait un tel effort pour les trouver - et pourquoi devrions-nous nous soucier de les repérer? Deux raisons immédiates me viennent à l’esprit (je laisserai de côté mon propre intérêt à vouloir simplement savoir). La première est qu’ils avaient été prédits par Einstein il ya 100 ans. La confirmation de l’existence d’ondes gravitationnelles apporte donc un support d’observation supplémentaire à sa théorie de la relativité générale.

En outre, la confirmation pourrait ouvrir de nouveaux domaines de la physique tels que l'astronomie gravitationnelle. En étudiant les ondes gravitationnelles à partir des processus qui les ont émises dans ce cas deux trous noirs se confondant, nous avons pu voir des détails intimes d'événements violents dans le cosmos.

LISA, un interféromètre laser planifié dans l’espace, pourrait étudier en détail les sources astrophysiques d’ondes gravitationnelles. Image via la NASA.

Cependant, pour tirer le meilleur parti d'une telle astronomie, il est préférable de placer le détecteur dans l'espace. Le LIGO basé sur Terre est parvenu à capter les ondes gravitationnelles grâce à l'interférométrie laser. Cette technique consiste à diviser un faisceau laser en deux directions perpendiculaires et à les envoyer chacune dans un long tunnel à vide. Les deux chemins sont ensuite réfléchis par des miroirs au point où ils ont commencé, où un détecteur est placé. Si les ondes gravitationnelles perturbent les ondes, les faisceaux recombinés seraient différents de l'original. Toutefois, les interféromètres spatiaux prévus pour la prochaine décennie utiliseront des bras laser atteignant un million de kilomètres.

Maintenant que nous savons qu’elles existent, nous espérons que les ondes gravitationnelles permettront de répondre à certains des plus grands mystères de la science, tels que la composition de la majorité de l’univers. Seulement 5% de l'univers est constitué de matière ordinaire, 27% étant de la matière noire et les 68% restants de l'énergie noire, les deux derniers étant appelés «sombres», car nous ne comprenons pas ce qu'ils sont. Les ondes gravitationnelles peuvent maintenant fournir un outil permettant de sonder ces mystères de la même manière que les rayons X et l'IRM nous ont permis de sonder le corps humain.

Gren Ireson, professeur d'éducation scientifique, coordonnateur de la recherche à la School of Education de la Nottingham Trent University

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation. Lire l'article original.

Simulation informatique de deux trous noirs fusionnant produisant des ondes gravitationnelles. Image via Werner Benger.

Bottom Line: Une explication des ondes gravitationnelles.