Ondes gravitationnelles : le chant silencieux des trous noirs

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<span class="caption">Duo de trous noirs qui dansent.</span> <span class="attribution"><a class="link rapid-noclick-resp" href="https://www.ligo.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/67/titanic/GW170104a_close-up_spinning_black_holes.jpg?1496290097" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)">LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)</a>, <a class="link rapid-noclick-resp" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/" rel="nofollow noopener" target="_blank" data-ylk="slk:CC BY-NC-ND">CC BY-NC-ND</a></span>

Les trous noirs dansent, et quand ils dansent, ils le font en couple. C’est d’ailleurs la norme dans l’Univers : la plupart des étoiles évoluent dans des systèmes dits binaires, formés par deux objets orbitant l’un autour l’autre.

Non seulement ils dansent, mais tandis qu’ils dansent, les trous noirs chantent également. Ce chant un peu singulier ne prend ni la forme d’un son, de la lumière, ni d’autres ondes électromagnétiques. C’est néanmoins bien un rayonnement avec ses rythmes, ses tons et ses harmoniques, même sa mélodie et ses différentes « voix »…

Un véritable chant, codifié dans des ondes dites gravitationnelles, qui permet d’identifier les plus fins détails des trous noirs qui lui correspondent et de leur danse orbitale : à la manière de l’ornithologue qui reconnaît dans le chant des oiseaux leur espèce et leurs caractéristiques, les astrophysiciens extraient à partir des ondes gravitationnelles les propriétés de chacun des trous noirs et de leur orbite.

Perturbation dans la courbure de l’espace-temps

L’existence de ces ondes, extrêmement difficiles à détecter, a été prédite par Albert Einstein en 1916, juste après sa formulation de la relativité générale, qui n’est autre que la description théorique dont nous usons aujourd’hui pour expliquer la gravité. Cette théorie explique le phénomène gravitationnel en termes de ce qu’on désigne comme « courbure de l’espace-temps ».

Les ondes émises par les binaires de trous noirs, de nature gravitationnelle, sont alors des perturbations de cette courbure de l’espace-temps qui se propagent sur le propre espace-temps. Similaires aux ondes dans un étang, qui sont des perturbations de la surface de l’eau quand elles se propagent sur celle-ci.

Le 14 septembre 2015, l’antenne gravitationnelle Ligo a pour la première fois détecté directement ces ondes. Depuis, une cinquantaine des détections ont suivi jusqu’à la date présente, initiant une véritable nouvelle étape dans l’étude de l’Univers : l’astronomie des ondes gravitationnelles.

Un fonctionnement similaire à celui des marées

Mais décrire ces ondes comme des perturbations de la courbure de l’espace-temps est assez cryptique. Une approche plus intuitive fait appel à la notion plus familière de marée, notamment la montée et descente des océans deux fois par jour.

Celles-ci sont produites pour l’action gravitationnelle de la Lune et le Soleil, qui déforment la surface des océans dans une espèce d’ellipsoïde.

Étant donnée une position relative de la Terre-Lune-Soleil (qui définit ce que l’on appelle un « jour dans un mois »), cette déformation ellipsoïdale des océans est « stationnaire », c’est-à-dire que sa forme ne change pas. C’est la rotation de la Terre, dont la croûte (plus rigide) n’est pas déformée par les marées, qui fait qu’une côte donnée va passer deux fois par jour par une bosse de l’ellipsoïde des eaux (marées hautes) et deux fois par jour par un creux (marées basses).

C’est le phénomène familier des marées.

Ondes gravitationnelles comme marées en propagation

Que se passerait-il si, d’un coup, le Soleil et la Lune n’étaient plus là ? Les océans n’auraient plus de raison d’être déformés et récupéreraient une forme plus sphéroïdale.

Mais ce processus est soumis à deux contraintes : d’une part, l’information de la disparition de la Lune et du Soleil doit se propager à une vitesse finie (rien ne peut voyager plus rapidement que la lumière, selon la relativité restreinte d’Einstein). D’autre part, la relaxation des océans vers son état sans déformation se fait en oscillations autour le sphéroïde.

Une « onde gravitationnelle » est le phénomène physique qui informe des changements d’une source gravitationnelle (dans l’exemple, la Lune et le Soleil) moyennant un signal qui se propage à une vitesse finie et qui induit des oscillations dans la forme des corps trouvés sur son chemin (dans l’exemple, les océans).

Dans un sens littéral, les ondes gravitationnelles sont des marées dynamiques en propagation dans l’espace. Ce chant gravitationnel est un chant « silencieux », il s’exprime par les changements des « formes ».

Aux origines des ondes gravitationnelles

Quels sont les systèmes physiques qui produisent ces marées en propagation ? Autrement dit, quelles sont les « sources » de ces ondes ? La réponse est simple : n’importe quel système dont la « forme » change avec le temps est une source des ondes gravitationnelles. Ça peut être moi en agitant rapidement mes bras ou un système binaire des objets compacts astrophysiques.

Cela mène à un apparent paradoxe : si tout système qui se déforme dans le temps émet ces ondes, pourquoi ne sommes-nous pas entourés par ces marées qui déforment à leur tour tout objet trouvé sur leur chemin ? En réalité, elles sont bien là mais trop faibles pour être perceptibles. C’est le cas de moi quand j’agite mes bras. Seuls des objets très massifs ou avec des vitesses comparables à celle de la lumière, sont capables de produire des signaux appréciables, comme la binaire d’objets compacts.

Par conséquent, il nous faut regarder au-delà de la Terre pour identifier les bonnes sources. Et c’est ici que les trous noirs binaires, avec leurs grandes masses et leurs vitesses orbitales proches à celle de la lumière, entrent en scène.

Percer le silence gravitationnel

Revenons maintenant sur notre affirmation initiale qui avançait la capacité des binaires des trous noirs à « chanter ».

En fait, toutes les étoiles binaires « chantent » gravitationnellement, mais seules celles constituées d’objets très compacts (trous noirs, étoiles à neutrons, naines blanches…) chantent « assez fort ». Les autres font résonner leur mélodie trop « bas » pour qu’on les détecte : si tous les chants des systèmes binaires sont « silencieux », certains le sont plus que d’autres…

C’est donc grâce à un véritable tour de force technologique que les astrophysiciens sont parvenus à percer ce « silence gravitationnel ». La mise au point des interféromètres Laser, véritables antennes gravitationnelles, a permis la détection directe de ces ondes et l’accès à leur information astrophysique et cosmologique.

Un réseau d’interféromètres sur la Terre

Ces interféromètres sont formés par deux « bras » perpendiculaires d’exactement la même longueur, soumis à oscillations (étirements et compressions) lorsqu’une onde gravitationnelle les traverse. « L’interférométrie » optique permet de mesurer de manière très précise le changement relatif dans la longueur de ces bras, identifiant alors le passage d’une onde.

Étant donné que ces ondes gravitationnelles sont des phénomènes de marée et que leur effet est d’autant plus fort que la taille de l’objet déformé est grande, les bras des interféromètres font plusieurs kilomètres (4 km dans LIGO aux États-Unis).

Aujourd’hui, il existe un réseau d’interféromètres étendu sur la Terre, dont le fonctionnement simultané est crucial pour l’analyse de ces ondes. Pour étudier les objets les plus massifs, comme des trous noirs aux centres galactiques, il faudra construire des interféromètres à l’espace, ce qui est le cœur du programme spatial Lisa. Nous avons désormais des oreilles interférométriques pour écouter et déchiffrer le silencieux chant gravitationnel. Et sa mélodie est riche.

Un champ de recherches majeur

La découverte des ondes gravitationnelles a été un événement scientifique de premier ordre qui s’est traduit dans le prix Nobel de physique de 2017. En fait, l’étude de la gravité vit un moment particulièrement doux : trois des cinq derniers prix Nobel ont été décernés à des recherches menées dans le cadre de la gravitation.

En 2017, ce sont les ondes gravitationnelles qui ont été primées, et en 2019 le tour de la cosmologie physique et la découverte des exoplanètes. Le prix Nobel de 2020 a consacré quant à lui la prédiction théorique de trous noirs et son observation directe aux centres galactiques.

En ce moment, la synergie entre différentes disciplines est en train de percer de nouveaux horizons en cosmologie, astrophysique et physique fondamentale. En retour, l’univers gravitationnel nous chante pour nous dévoiler ses mystères.

La version originale de cet article a été publiée sur La Conversation, un site d'actualités à but non lucratif dédié au partage d'idées entre experts universitaires et grand public.

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