Les ondes gravitationnelles

Des rides dans l'espace-temps

La relativité générale d'Einstein décrit la gravité non pas comme une attraction, mais comme une courbure de l'espace et du temps, réunis en un espace-temps. Les objets lourds courbent l'espace-temps, et les autres objets suivent ces courbes.

Lorsque des objets massifs se déplacent et accélèrent, ils peuvent envoyer des ondes à travers l'espace-temps, un peu comme un bateau crée des vagues à la surface d'un lac. Ce sont les ondes gravitationnelles. À leur passage, elles étirent l'espace dans une direction et le compriment dans l'autre, encore et encore, à la vitesse de la lumière.

L'effet est minuscule. Même une onde issue de la collision de deux trous noirs modifie la distance Terre-Soleil de moins que la taille d'un atome. Seuls les événements les plus violents de l'Univers produisent des ondes que nous pouvons espérer mesurer.

De la prédiction à la preuve

Einstein a établi en 1916 que les ondes gravitationnelles devaient exister, mais il pensait qu'elles seraient bien trop faibles pour être détectées. Pendant des décennies, de nombreux physiciens ont même débattu de leur réalité.

Une preuve indirecte est arrivée en 1974, quand Russell Hulse et Joseph Taylor ont découvert un couple d'étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre. Au fil des ans, leur orbite s'est resserrée exactement au rythme attendu si elles perdaient de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Cette découverte leur a valu le prix Nobel de physique 1993.

Capter directement une onde sur Terre a demandé encore 40 ans et certains des instruments les plus sensibles jamais construits.

Comment fonctionnent LIGO, Virgo et KAGRA

LIGO, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, possède deux détecteurs aux États-Unis, à Hanford dans l'État de Washington et à Livingston en Louisiane. Chacun a la forme d'un L dont les bras mesurent environ 4 km.

Un faisceau laser est divisé, envoyé dans les deux bras, réfléchi par des miroirs puis recombiné. Normalement, les deux faisceaux s'annulent. Si une onde gravitationnelle étire un bras et comprime l'autre, les faisceaux se décalent légèrement et une petite variation de lumière apparaît. La variation de longueur est inférieure au dix-millième du diamètre d'un proton.

Disposer de plusieurs détecteurs éloignés aide à écarter les secousses locales, comme celles des camions ou des séismes, et permet de localiser une source dans le ciel. LIGO travaille avec Virgo en Italie et KAGRA, un détecteur souterrain au Japon. Ensemble, ils forment un réseau mondial.

La première détection

Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs LIGO ont enregistré un bref signal, un « gazouillis » montant d'une fraction de seconde. Il provenait de deux trous noirs d'environ 36 et 29 masses solaires qui spiralaient l'un vers l'autre puis fusionnaient à environ 1,3 milliard d'années-lumière.

Dans cet ultime instant, l'équivalent d'environ trois masses solaires a été converti en énergie d'ondes gravitationnelles. Le résultat a été annoncé en février 2016, et en 2017 Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne ont reçu le prix Nobel de physique pour leur rôle dans LIGO.

À la fin de la quatrième campagne d'observation, fin 2025, le réseau avait enregistré plus de 300 signaux candidats. La plupart sont des fusions de trous noirs ; un plus petit nombre implique des étoiles à neutrons.

Ce que nous apprennent les ondes gravitationnelles

En août 2017, les détecteurs ont capté les ondes de la collision de deux étoiles à neutrons. En quelques secondes, des télescopes spatiaux ont observé un sursaut de rayons gamma, puis des observatoires du monde entier ont suivi la lueur déclinante, appelée kilonova. Les débris contenaient des éléments lourds, preuve solide que de telles collisions forgent une grande partie de l'or et du platine de l'Univers.

Les ondes gravitationnelles révèlent des trous noirs qui resteraient autrement invisibles, et montrent qu'ils couvrent une gamme de masses plus large que prévu. Elles permettent de tester la relativité générale là où la gravité est la plus forte, et offrent même un moyen indépendant de mesurer la vitesse d'expansion de l'Univers.

Comme ces ondes traversent la poussière et le gaz presque sans être affectées, elles transportent des informations venues directement du cœur d'événements que la lumière ne peut pas montrer.

Écouter depuis l'espace : LISA

Les détecteurs au sol entendent des signaux aigus émis par des objets relativement petits. Pour capter les ondes lentes et graves de la fusion de trous noirs supermassifs au centre des galaxies, il faut des bras bien plus longs que tout ce qui existe sur Terre.

L'Agence spatiale européenne a adopté en 2024 la mission LISA, construite avec la NASA. Trois engins spatiaux voleront en triangle, à environ 2,5 millions de km les uns des autres, reliés par des lasers et suivant la Terre sur son orbite autour du Soleil. En 2026, le lancement est prévu vers 2035.

En attendant, les radioastronomes utilisent des réseaux de chronométrage de pulsars, qui surveillent les battements réguliers de nombreux pulsars ; en 2023, ils ont annoncé des indices d'un léger bourdonnement de fond formé d'ondes gravitationnelles très longues. On ne peut pas voir les ondes gravitationnelles avec un télescope, mais des services d'alerte publics partagent les nouvelles détections, souvent en quelques minutes.