Le 11 février 2016, le directeur du laboratoire LIGO annonce que pour la 1ère fois, une onde gravitationnelle, une « vibration de l’espace-temps » a été détectée: la théorie d’Einstein est confirmée. En 1915 naissait la théorie de la Relativité générale d’Einstein qui intégrant la gravitation à sa théorie de la Relativité restreinte, bouleversait notre vision de l’espace et du temps. Elle est née de la volontée d’Albert Einstein d’obtenir une description de la gravitation cohérente avec la théorie de la relativité restreinte qu’il avait introduite 10 ans auparavant. Cette théorie est l’un de ses plus grand chefs d’oeuvre : l’espace et le temps deviennent deux entités liées et entremêlées par la gravité.
La théorie de la relativité générale est l’une des théories les plus abouties et les plus importantes de la physique contemporaine. Énoncée par Albert Einstein au début du siècle dernier (1915-1916), elle propose une construction géométrique de l’espace-temps dont les propriétés sont intimement liées à son contenu physique, à savoir, la matière (ou énergie) présente dans l’Univers. Dépassant les lois de Newton, Einstein nous a fait pénétrer dans un univers de trous noirs, de trous de ver et de lentilles gravitationnelles et a prédit, dès 1916, l’existence d’ondes de gravité se propageant à la vitesse de la lumière.
Une conséquence prédite par Einstein est la déviation de la lumière. Elle a été vérifiée expérimentalement par l’équipe de Sir Arthur Eddington en 1919 lors d’une éclipse de Soleil : la position apparente d’étoiles proches (dans le ciel) du Soleil est légèrement décalée par rapport à leur position « normale ». C’est un des premiers grands succès de la relativité générale.
C’est en 1916 également qu’Einstein comprend que, si l’espace-temps est une sorte de membrane élastique, il peut vibrer. C’est un des autre aspect de la Relativité Générale. Ces vibrations qui se propagent dans l’espace à la vitesse de la lumière, ce sont les ondes gravitationnelles; celles-ci peuvent apparaître à la surface de l’espace temps, se propageant particulièrement à partir d’un système double d’astres denses (trous noirs, pulsars), en orbite l’un autour de l’autre.
La Nébuleuse du crabe est le résultat de l’explosion d’une supernova observée en 1054 par des astronomes chinois. Elle contient en son centre un pulsar, le pulsar du Crabe PSR B0531+21 qui tourne sur lui-même environ 30 par seconde, il s’agit actuellement du pulsar le plus énergétique connu.
D’abord négligées, elles n’ont été véritablement considérées qu’à partir de la fin des années 50. Les ondes gravitationnelles distordent les distances relatives entre les objets et c’est ce qui a permis leur détection. Dans certains couples de pulsars, les astronomes ont remarqués que la vitesse orbitale du système décroit et ils s’attendent donc à ce que l’énergie perdue ait été transformée en ondes gravitationnelles. Mais leur existence ne sera confirmée indirectement qu’en 1974, lorsque les observations du pulsar binaire PSR B1913+16 montreront un raccourcissement de son orbite correspondant ainsi aux prédictions d’Einstein, dû à la perte d’énergie liée au rayonnement gravitationnel.
La recherche des ondes gravitationnelles:
– Sur terre.
Les physiciens construisent alors des détecteurs géants qui utilisent des rayons lasers qui se réfléchissent sur des miroirs placés à des kilomètres les uns des autres pour détecter le passage de ces ondes. Il s’agit de deux détecteurs identiques portant le nom de LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – et éloignés de 3 000 kilomètres: l’un à Livingston en Louisiane et l’autre à Handford dans l’état de Washington. Le LIGO est un projet entièrement dédié à la détection des ondes gravitationnelles et réalisé grâce à la collaboration de nombreuses universités américaines dont notamment les prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT) et California Institute of Technology (Caltech). Les premières recherches aux LIGO commencent en 2002 mais les ondes gravitationnelles ne serontt observées directement pour la première fois qu’en septembre 2015. Le 11 février 2016, David Reitze, directeur du laboratoire LIGO confirme les rumeurs qui circulaient depuis plusieurs mois déjà dans les milieux scientifiques : « We have detected gravitational waves. We did it ! » déclare-t-il dans ses premiers mots face aux journalistes du monde entier.
L’expérience vient de confirmer une prédiction centenaire d’Einstein en détectant les vibrations de l’espace-temps émises par la fusion de deux trous noirs, d’une trentaine de masses solaires chacun, à plus d’un milliard d’années-lumière de nous. Début 2017, après des décennies de développement et mille péripéties le détecteur détecteur franco-italien d’ondes gravitationnelles baptisé Virgo (d’après l’amas de la Vierge – la Vierge se disant Virgo en latin) en Italie, près de la ville de Pise enregistre son tout premier signal astronomique confirmant les résultats des LIGO: la collaboration conjointe de LIGO et de Virgo, permet dès le mois d’aout l’observation pour la toute première fois de la collision de deux étoiles à neutrons situées à 130 millions d’années-lumière de nous. L’ampleur de cette découverte est considérable et ouvre une toute nouvelle branche de l’astronomie : l’astronomie gravitationnelle. Il ne s’agit plus de regarder les corps célestes, mais de les écouter. On va pouvoir voir à l’intérieur.
– Depuis l’espace.
Lancé le 19 décembre 2013, le satellite Gaia, dédié à l’astrométrie de très haute précision a un objectif pour le moins ambitieux : cartographier une partie de notre galaxie surveiller et mesurer la position d’environ un milliard d’étoiles sur une durée d’observation de 5 à 10 ans. Grâce à ses observations, les astronomes lèveront le voile sur la formation, la structure et de l’histoire de la Voie Lactée. Mais l’idée a été émise que Gaia pourrait aussi être exploité pour détecter indirectement le passage d’ondes gravitationnelles a l’horizon 2020 en analysant la position des étoiles: les ondes gravitationnelles, en se propageant dans notre Galaxie font en effet légèrement bouger la trame de l’espace-temps, et par conséquent les astres qui s’y trouvent: la position des étoiles du ciel doit ainsi varier brièvement.
Puis en décembre 2015 depuis Kourou, Lisa Pathfinder (Laser Interferometer Space Antenna), un petit satellite, rejoint l’espace; il s’agit du premier observatoire spatial d’ondes gravitationnelles, les observatoires actuels, LIGO et Virgo, étant terrestres. Son objectif: servir de banc de test pour la future et ambitieuse mission eLisa, prévue pour 2034 : 3 satellites séparés d’un million de kilomètres tournant conjointement autour du Soleil et formant un gigantesque interféromètre optique se lanceront alors dans la quête de ces déformations très faibles de l’espace-temps prédites par la théorie de la Relativité générale. Un des avantages de ce dispositif est de s’affranchir des bruits perturbant les montages interférométriques terrestres, comme par exemple les ondes sismiques naturelles. Les astronomes attendent beaucoup de cette mission qui a le potentiel de nous révéler des informations inédites sur des domaines méconnus comme l’intérieur des étoiles à neutrons, la physique des trous noirs, voire la création de l’univers observable au moment du Big Bang.
