Nobel et les ondes gravitationnelles : plus qu’une confirmation, un champ de recherche s’ouvre

Le prix Nobel pour la physique a été attribué mardi passé à Rainer Weiss (Massachussetts Institute of Technology), Kip Thorne et Barry Barish (California Institute of Technology) : trois personnalités de la collaboration américaine LIGO, l’interféromètre qui, en février 2016, enchantait le monde entier avec la nouvelle de la première détection d’ondes gravitationnelles, datant du 14 septembre 2015  (B. P. Abbott et al. PRL 116, 061102 (2016)), dont nous parlions dans un article de février 2016, Les ondes gravitationnelles, des vagues dans les médias, mais des infos assez vagues !

Cette reconnaissance n’était pas inattendue, la nouvelle de la première détection ayant été diffusée bien au-delà de la communauté scientifique et ému la planète entière, par sa portée qui s’étend bien plus loin que la simple confirmation de l’existence de ces ondes .

Des ondes prévues par Einstein : une compréhension qui va au-delà du sens commun

La théorie de la Relativité Générale, formulée par Einstein exactement un siècle avant la première détection,(cf. L’héritage d’Einstein, 100 ans de relativité générale) s’oppose à la vision newtonienne de la gravitation car elle voit cette interaction pas comme le résultat de forces attractives entre les masses dans un espace plat mais plutôt comme une déformation de l’espace-même causé par toute masse. Ainsi, selon Einstein, en l’absence de forces, les corps ne suivent pas forcément un mouvement inertiel rectiligne, mais un mouvement inertiel courbé par la forme de l’espace-temps. Les deux théories sont conceptuellement extrêmement différentes, toutefois, pour les phénomènes ordinaires, les différences des prévisions physiques de deux visions ne sont pas significatives, et à l’échelle astrophysique elles sont mesurables mais encore petites : pensons à l’effet de lentille gravitationnelle ou à la précession du périhélie de l’orbite des astres. C’est seulement pour les phénomènes les plus extrêmes de l’univers que le traitement relativiste diffère radicalement de celui classique : la collision de corps compacts comme les trous noirs ont permis pour la première fois de tester la théorie d’Einstein à plein régime, et de confirmer avec une précision surprenante ses prédictions (on aurait pu avoir de surprises !). C’est en effet dans les derniers instants de leur mouvement rotatoire que les deux trous noirs émettent le signal le plus intense, en propageant les vagues de déformations de l’espace-temps avec leur mouvement.

Fig 1: le signal de la première onde détectée et les phases de la collision correspondantes. [img]. Source :NASA https://apod.nasa.gov/apod/ap160211.html

La faiblesse des interactions de ces ondes : une difficulté…

La nature extrêmement faible de ces ondes (il s’agit de mesurer des variations de distances plus petites que la taille d’un proton sur une longueur de l’ordre du kilomètre) est la raison pour laquelle cette détection a été un énorme défi, qui s’est prolongé sur plusieurs générations de scientifiques, et a concerné des milliers de collaborateurs sur toute la planète. Ce type de détection ne pouvait exister avant la dernière implémentation des interféromètres, auxquels des avancées technologiques transversales dans plusieurs domaines de la physique ont contribué. D’ailleurs le scepticisme, tout comme l’espoir, n’a jamais abandonné les esprits au fil de décennies. Même face à la détection d’août 2015 les scientifiques étaient, dans l’immédiat, incrédules. Rainer Weiss, qui avec Kip Thorne décrivit le premier projet de LIGO en 1972, explique comment la confirmation de l’événement d’août 2015 a été un énorme soulagement, car pour lui, pendant 40 ans, c’était comme avoir singe assis sur ses épaules qui disait : « Comment es-tu es sûr que cela marchera vraiment ? Tu as impliqué une énorme quantité de personnes… et si ça ne marchait jamais ?  » (Weiss, 2017 : ici)

…mais un témoin peu altéré de phénomènes très lointains

La même raison physique qui est à l’origine de la faiblesse des ondes gravitationnelles est aussi celle qui les rend incontournables pour comprendre les phénomènes extrêmes qui les produisent, comme les collisions d’astres compacts, les explosions de supernovae, ou l’univers primordial. Or, ces phénomènes sont encore en grande partie inconnus et les théories physiques les plus fondamentales – la relativité générale et la mécanique quantique – se superposent et approchent les limites de leurs domaines de validité. En effet, l’interaction presque inexistante des ondes gravitationnelles avec toute matière rencontrée sur leur chemin, leur permet de parvenir jusqu’à nous en apportant une information intacte – bien que très faible – de leurs sources. À l’inverse les radiations électromagnétiques sont plus facilement observables, mais – puisqu’elles interagissent davantage avec la matière interstellaire – nous ne pourrons jamais observer des événements aussi extrêmes et avec une portée comparable causés par les ondes électromagnétiques. C’est pourquoi les ondes gravitationnelles sont considérées comme bien plus qu’un nouveau type de radiation, elles représentent un nouveau signal qui permettra des avancées prodigieuses dans la compréhension des lois fondamentales qui gouvernent notre univers.


Fig 2: une simulation de la collision des deux trous noirs révélant l’intensité des ondes gravitationnelles. [img]. Source : Gibney, E. (2017).
Dans cette perspective, le prix Nobel est le couronnement d’un épisode fondamental de la physique moderne : la détection d’août 2015 a été la plus grande récompense au travail des milliers de scientifiques impliqués, et en même temps, une intense source de motivation à poursuivre la recherche de ces signaux du cosmos.
Nous renvoyons le lecteur pour plus de détails à : Experimental-Tremplins du 14 sept 2015

Triple détection USA(ouest)-USA(est)-Italie: une localisation plus précise de la coalescence de deux trous noirs

Depuis lors, trois autres détections provenant de collisions de trous noirs ont désormais été confirmées : le 26 décembre 2015, le 4 janvier 2017 et le 14 août 2017. Cette dernière (nommée GW170814 : cf A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence) ayant été observée par trois interféromètres au lieu que deux (LIGO a deux détecteurs situés en « diagonale » des USA (cf fig 3 ici) et VIRGO en Italie), les scientifiques ont pu calculer la direction de provenance avec plus de précision. D’abord détectée par LIGO à Livingston, en Louisiane, cette déformation de l’espace-temps a produit un infime décalage de la longueur relative des deux bras du détecteur, puis 8 millisecondes plus tard, cette  onde a passé le second détecteur de LIGO à Hanford, dans l’état de Washington, pour être détecté par Virgo en Italie six millisecondes après (cf fig.3). Si cette zone fait encore 300 fois la taille apparente de la pleine lune elle est 10 fois plus petite que ce que la détection avec LIGO seul aurait pu donner.


Fig 3: Localisation de la détection du 14 août 2017 On  voit que la triple détection permet une localisation plus précise  [img]. Source :https://apod.nasa.gov/apod/ap170928.html

Des rumeurs ?

De plus les rumeurs laissent deviner d’autres détections survenues pendant le mois d’août dernier, dont une accompagnée de contrepartie lumineuse. Si cela est le cas, il s’agirait de la première détection de collisions d’étoiles à neutrons. Comme nous l’avions déjà cité , ce nouveau type de collisions auront une importance particulière du point de vue de la physique des particules, car il pourrait apporter des informations sur le plasma de particules subatomiques, mais aussi pour la cosmologie, car ces collisions peuvent être utilisées comme « chandelles standard » afin d’étudier l’évolution de l’expansion de l’univers et sa composition. Nous attendons donc avec impatience les nouvelles des prochaines semaines !

La physique moderne en classe ?

Ondes gravitationnelles, relativité, cosmologie, les défis de la physique moderne sont des sujets liés et fascinants, mais encore peu accessibles aux non spécialistes. Le défi d’en faire matière d’un cours pour collégiens a été le point de départ du projet SwissMAP, en occasion du centenaire de la relativité générale. Aujourd’hui il existe un manuel d’introduction à la cosmologie moderne spécifiquement conçu pour les élèves du secondaire II (bientôt édité chez les Presses Polytechniques Universitaires Romandes) ainsi que les séries d’exercices relatives à chaque chapitre, avec corrigés testées et évaluées par des élèves dans les classes genevoises. Le niveau est celui du programme de mathématiques et de physique gymnasial  – entre le « sans formules » pour le grand public et le cours universitaire – et permet de s’immerger dans le sujet tout en maintenant le lien entre le formalisme mathématique et la compréhension physique. Cf. Expériment@l-Tremplins : Peut-on enseigner la relativité générale et la cosmologie moderne au secondaire II ?

  • Gasparini (UniGE, SwissMAP), Cosmologie Moderne et Relativité Générale : Cours pour les élèves du Secondaire II, Genève (2017).
  • A. Gasparini (UniGE, SwissMAP) et A. Müller (UniGE, Didactique de la Physique) Cosmologie Moderne et Relativité Générale : Activités pour les élèves du Secondaire II, Genève (2017).

Tous les documents sont librement disponibles en ligne sur le site web http://nccr-swissmap.ch/education/highschool/GRcourse

Références

Article par Alice Gasparini, Andreas Mueller, avec Laura Weiss et  F.Lombard

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