Prédites par Albert Einstein (qui d’autre ?) il y a un siècle, ce n’est que très récemment qu’elles sont détectables et c’est aujourd’hui que leur détection a été confirmée pour la première fois : ce sont les ondes gravitationnelles.
Dans un univers où règnent des champs quantiques (champ gravitationnel, champ électromagnétique, etc.), les ondes sont des perturbations qui se déplacent à travers ces champs quantiques, tout comme les vagues à la surface de l’eau qui trahissent la présence d’ondes se propageant dans l’eau.
Un astre, une étoile, ou tout objet massif engendre une déformation sur le champ gravitationnel ce qui déforme également l’espace-temps. La déformation a lieu comme sur l’image qui suit, mais alors dans les trois dimensions de l’espace (et même celle du temps) :
Or, la lumière emprunte les lignes de l’espace-temps : si ces lignes sont déformées par la présence d’un astre ou d’une étoile, alors la lumière suit une trajectoire courbée (même si pour la lumière, ça reste une ligne droite, mais pour un observateur extérieur, elle est courbée — c’est ça la relativité).
C’est un peu comme si on tirait une balle en acier avec un fusil et qu’on plaçait un aimant à proximité de la trajectoire de la balle : elle se fait dévier légèrement sur le côté de l’aimant.
Lors du passage d’une onde gravitationnelle, les lignes de l’espace-temps sont déformées localement et temporairement. Ces déformations ne sont pas perceptibles à l’œil nu, mais peuvent l’être grâce à des appareils ultra-sensibles, comme celui à l’Observatoire d’ondes Gravitationnelles par Interférométrie Laser, ou LIGO, de l’anglais.
Pour produire une onde gravitationnelle notable, un petit objet comme un aimant ou une pomme ne suffit pas : il faut au contraire un événement cosmique phénoménal mettant en jeu des masses considérables. Un de ces événements est la fusion de trou noirs ayant chacun une masse de plusieurs systèmes solaires. La fusion de trou noirs est un événement suffisant pour produire des ondes gravitationnelles détectables même à des distances de plusieurs millions d’années lumières.
LIGO utilise un rayon laser rectiligne émis dans deux tunnels perpendiculaires d’une longueur de 4 km et qui va faire 200 allers-retours par un jeu de miroirs (pour un trajet total de 1 600 km). Si une onde gravitationnelle passe à ce moment-là sur les tunnels, alors la lumière va être très légèrement déviée dans l’un d’eux. On mesure la déviation par interférométrie, c’est-à-dire, pour simplifier, qu’on regarde le décalage entre les ondes des deux tunnels.
Cette méthode à base de lasers et ces 1 600 km de trajets pour le rayon laser donnent à LIGO une sensibilité remarquable de l’ordre de 1 unité sur 1 000 000 000 000 000 000 000, soit une déviation inférieure à 0,1 % du centième du diamètre d’un proton !
Notes :
- Le communiqué de l’observatoire LIGO, sur le site du CalTech : Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction
- Le communiqué de la NASA : NSF’s LIGO Has Detected Gravitational Waves
- L’onde gravitationnelle ne doit pas être confondue avec l’onde de gravité, qui n’a rien à voir.
- Article : Pourquoi un trou noir est noir ?.
- Article : Comprendre la gravitation en relativité générale.
Image d’en-tête de LIGO, NSF, Aurore Simonnet, Sonoma State U.