Le jeudi 11 février 2016 restera marqué d’une pierre blanche dans l’histoire des sciences. C’est en effet ce jour-là que la communauté scientifique internationale a annoncé la première détection des ondes gravitationnelles, des ondulations dans l'espace-temps qu'Albert Einstein avait prédites il y a 100 ans... Cette découverte très attendue, résultat de plus d’un demi-siècle de recherches et d’avancées scientifiques patientes, confirme non seulement de manière éclatante l’une des prédictions majeures de la théorie de la relativité générale, mais lève également définitivement le doute sur l’existence et la nature des trous noirs.
"Nous l'avons fait", a déclaré Dave Reitze, directeur exécutif de l'Observatoire des ondes gravitationnelles Laser Interferometer (LIGO), à l’occasion d'une émission en direct du club de la presse américaine à Washington, ajoutant « Ces vagues gravitationnelles sont le résultat de la collision de deux trous noirs, événement qui remonte à 1,3 milliard d'années ».
Les signaux infinitésimaux produits par les ondes gravitationnelles ont été captés en utilisant deux interféromètres en forme de L, l'un en Louisiane et l'autre dans l'État de Washington. Les détecteurs sont munis chacun de longs bras de deux à quatre kilomètres de long, équipés de lasers et de miroirs d’une sensibilité et d’une précision extrêmes qui vibrent en réponse à l'étirement de l'espace sous l’effet de ces fameuses ondes gravitationnelles. Cette détection tant attendue, réalisée par l’équipe de l’instrument LIGO, aux Etats-Unis, en collaboration avec l'équipe franco-italienne de VIRGO, près de Pise, et de GEO600, en Allemagne, a fait l'objet d'une publication scientifique dans la prestigieuse revue Physical Review Letters du 11 février (Voir Physical Review Letters).
Cette découverte fait suite à une détection indirecte des ondes gravitationnelles en 1974, lorsque deux astronomes de l'Université du Massachusetts, Russel Hulse et Joseph Taylor – lauréats du prix Nobel de physique 1993 - ont utilisé un radiotélescope pour observer une paire de rotation rapide des objets célestes connus comme un pulsar binaire. En étudiant sur trois décennies l'orbite du pulsar, Joseph Taylor et Joel Weisberg ont montré qu'elle diminuait très lentement et que cette évolution correspondait exactement à celle prévue par Einstein dans le cas où le système perdrait de l'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles.
Il faut bien comprendre que ces ondes gravitationnelles sont de petites déformations de la géométrie qui se propagent à la vitesse de la lumière. Elles sont, d’une certaine façon, similaires aux ondes électromagnétiques qui nous sont familières (celles que nous utilisons par exemple pour nos émissions de télévision, de radio ou nos communications avec nos téléphones portables) mais la différence majeure est que ces ondes ne se déplacent pas « dans » l’espace mais que c’est l’espace lui-même qui vibre. L’espace étant un milieu très rigide, ces ondes sont d’une amplitude infime, ce qui explique qu’elles soient si difficiles à détecter et qu’elles ne puissent être produites que par des phénomènes cosmiques extrêmes, mettant en œuvre des énergies colossales.
Véritable prouesse scientifique et technique, les chercheurs ont repéré l’infime effet du passage d’une telle onde, qui a la capacité étonnante de distordre les distances, de les allonger ou de les réduire très légèrement, ce qu’aucune autre onde n’est capable de faire. On comprend mieux les difficultés de détection de ce phénomène cosmique fondamental quand on sait que l’effet des ondes de gravitation correspond à des déformations de l’espace-temps qui sont environ un milliard de fois plus petit que la taille d’un atome (environ 10-19m).
Pour parvenir à mesurer une distance aussi infime, les chercheurs ont dû concevoir et combiner, depuis plus de 20 ans, une multitude d’innovations électroniques, mécaniques, optiques et informatiques, afin de pouvoir réaliser des « amplificateurs » géants. LIGO est ainsi fait de deux tunnels perpendiculaires de quatre kilomètres de long chacun. A l’intérieur, deux faisceaux laser, parfaitement synchronisés entre eux, effectuent un nombre infini d’allers-retours entre des miroirs. Si une onde gravitationnelle, même très ténue, interfère avec ce système, elle désynchronise ces lasers.
C’est exactement ce qui s’est passé le 14 septembre 2015 à 11 h 51 (heure française) sur les deux sites américains jumeaux construits en Louisiane et dans l’Etat de Washington à 3 000 kilomètres de distance. Les « sismographes » se sont agités avec 7 millisecondes de décalage. Il a ensuite fallu plusieurs semaines de vérifications pour écarter tout risque de mauvaise interprétation de ce signal, les chercheurs ayant déjà été échaudés par le passé en croyant détecter à plusieurs reprises ces ondes tant recherchées.
Le signal enregistré par les chercheurs précise, en outre, l’origine de cette secousse, apportant une seconde découverte majeure. Il s’agit de la fusion de deux trous noirs en un nouveau, deux fois plus gros. Le duo est, respectivement, vingt-neuf et trente-six fois plus massif que le Soleil, et situé à plus d’un milliard d’années-lumière de la Terre. « La masse finale du nouveau trou noir est 62 fois celle du Soleil. C’est moins que la somme des deux trous noirs initiaux qui est de 65 fois celle de notre soleil. C’est justement cette différence de masse qui été convertie en ondes gravitationnelles, conformément à ce que prévoit la théorie de la relativité générale », indique Nicolas Arnaud (CNRS) du Laboratoire de l’accélérateur linéaire à Orsay.
Si cette découverte est si importante, c’est parce qu’elle nous dévoile d'un coup une vue panoramique sur certains phénomènes cosmiques extrêmes, en élargissant le spectre des outils d’observation qui comptait déjà la lumière visible, les rayons X, les infrarouges, les ultraviolets et les ondes radio. Cette détection d’ondes gravitationnelles, bien que très difficile à réaliser, n’est pourtant pas une surprise. La relativité générale d'Einstein est en effet une théorie qui a fait l'objet d'une multitude de vérifications expérimentales depuis 1919 et ces expériences, de plus en plus sophistiquées, ont toutes parfaitement confirmé cette théorie magistrale dont on vient de célébrer les 100 ans il y a quelques mois. Il a notamment été démontré que les rayons lumineux étaient bien déviés sous l'effet d'objets de masse importante ou encore qu'une horloge s'accélère légèrement en altitude, par rapport à son homologue restée à terre...
Quant aux ondes gravitationnelles elles-mêmes, leur présence avait été repérée en 1978 à partir de l’observation de la rotation de deux pulsars détectés en 1974 et se tournant autour qui s’accélérait à cause de l’émission d’ondes gravitationnelles entre les deux objets. En revanche, jamais ces ondes n’avaient été ressenties et mesurées sur Terre. Fait remarquable, ce magnifique résultat scientifique est le fruit d'une coopération exemplaire entre plusieurs équipes de recherche américaines et européennes : l’Américain Rainer Weiss, du MIT, est à l’origine, dans les années 1970, des premières études précises pour la mise au point de futurs instruments. Kip Thorne, le physicien américain, a porté la réalisation de LIGO depuis 25 ans. Mais les Européens ont également contribué d’une manière décisive à cette découverte majeure, avec le tandem franco-italien constitué par Alain Brillet et Adalberto Giazotto qui a permis la mise au point des techniques optiques très sophistiquées indispensables au bon fonctionnement de Virgo. A cet égard, il faut rappeler que les miroirs capables de réfléchir les rayons laser sans aucune perte ont été mis ont point dans le Laboratoire des matériaux avancés du CNRS à Lyon. On peut donc se réjouir du fait assez rare que l’article décrivant la découverte dans les Physical Review Letters soit cosigné par l’équipe américaine de LIGO et les équipes de Virgo.
Pour mieux comprendre l’avancée considérable que représente la détection sur Terre de ces ondes gravitationnelles, il faut rappeler qu’Albert Einstein, grâce à sa double théorie de la relativité restreinte (1905) et générale (1915) a bouleversé les notions intuitives de temps, d’espace, de matière et d’énergie.
La relativité restreinte montre en effet que la description globale de l’Univers ne peut pas séparer le temps et les positions dans l’espace mais doit les considérer comme inextricablement liées : un point dans l’espace-temps est en fait un événement, c’est-à-dire une position attachée à un temps donné. Le temps absolu newtonien n’existe pas et dépend des vitesses relatives entre observateurs. C’est pourquoi, comme cela a été démontré avec une grande précision par plusieurs expériences réalisées à l’aide d’horloges atomiques synchronisées, une horloge qui se déplace affiche un temps qui s’écoule plus lentement qu’une autre qui reste fixe.
La relativité générale, qui intègre la gravitation, va encore plus loin que la relativité restreinte et montre que l’espace, loin d’être un simple « contenant », inerte et passif, est structuré par la force de gravitation, l’une des quatre forces fondamentales de l’Univers et celle qui domine à l’échelle cosmique, par rapport aux trois autres (la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible). L’une des conséquences de la relativité générale est que, plus un objet est massif, plus il courbera l’espace-temps, un peu comme une boule de billard placée sur un drap tendu et qui s’enfonce en raison de son poids, alors qu’une bille légère restera à la surface du drap sans le déformer. En retour, la structure de l’espace-temps va obliger lumière et matière à suivre ses courbes. C’est dans cet espace-temps courbe et déformable que se propagent les ondes gravitationnelles qui distordent les distances, comme le son comprime l’air.
Comme le souligne le grand physicien français Thibault Damour, spécialiste de la relativité générale, cette première détection des ondes gravitationnelles représente une double découverte. En effet, si on avait déjà pu observer la propagation de ces ondes gravitationnelles entre deux pulsars (un type particulier d’étoile qui émet de très puissantes impulsions électromagnétiques), c’est bien la première fois qu’on voit des ondes gravitationnelles émises par un système binaire de trous noirs très distants.
Mais la deuxième découverte, encore plus importante que la première, selon Thibault Damour, est que cette détection d’ondes gravitationnelles confirme définitivement, pour qui en doutait encore, l’existence des trous noirs. Plus encore, cette observation nous renseigne sur la déformation que subit la structure intime de l’espace-temps au moment où deux trous noirs fusionnent.
Il faut également souligner que LIGO a réussi à capter ce signal très bref (deux dixièmes de seconde) alors qu’il n’était encore pas au maximum de ses capacités, ce qui laisse penser qu’il existe très probablement de nombreuses sources d’ondes gravitationnelles que les scientifiques vont apprendre progressivement à détecter, à classer et à faire correspondre à des événements cosmiques particuliers
En Europe, Advanced Virgo doit entrer en fonctionnement en automne 2016. Lorsqu’Advanced Ligo et Advanced Virgo seront pleinement opérationnels, ils exploreront un espace de ciel 1000 fois plus grand que les instruments initiaux ! Plus tard, un réseau d’instruments de plus en plus grands permettra l’avènement d’une nouvelle astronomie qui scrutera les objets astrophysiques grâce aux ondes gravitationnelles. Ce réseau va s’étendre dans la prochaine décennie avec Kagra au Japon et un 3e Ligo en Inde. A plus long terme, à l’horizon 2030, l’Agence Spatiale Européenne devrait lancer la mission eLISA : trois satellites formant un triangle d’un million de kilomètres de côté et disposant de faisceau laser longue portée. Cette configuration géante devrait permettre de franchir une nouvelle étape en permettant aux scientifiques « d’entendre » une multitude de vagues gravitationnelles, déferlant dans le Cosmos mais jusqu’ici inaudibles.
On peut bien sûr se demander quelles conséquences concrètes aura cette découverte, très fondamentale, dans nos vies quotidiennes et s’il est vraiment bien utile de consacrer sur de longues périodes des budgets relativement importants et de mobiliser des ressources humaines de grande qualité pour parvenir à de telles avancées scientifiques ? Je réponds sans hésiter oui à cette question légitime. Toute l’histoire des sciences depuis deux siècles nous montre en effet que les avancées théoriques majeures et les grandes découvertes fondamentales finissent toujours par produire des ruptures technologiques, industrielles et sociales de premier plan, même s’il faut parfois plusieurs décennies pour que ces découvertes changent notre vie.
Lenoir n’aurait pas pu mettre au point le premier moteur à explosion en 1860, ni Diesel le moteur qui porte son nom en 1897, sans les travaux de Sadi Carnot qui dégagea les grands principes de la thermodynamique en 1824. De la même façon, c’est parce que le génial savant écossais Maxwell a découvert les lois de l’électromagnétisme en 1865, qu’ont pu être inventés la radio à la fin du XIXème siècle, la télévision, en 1927 et le téléphone mobile dans les années 1960. Quant à l'ordinateur, aujourd'hui omniprésent dans nos économies, nos sociétés et nos foyers, il n'aurait pas pu être inventé sans les travaux remarquables réalisés entre 1936 et 1950 par le génial mathématicien anglais Alan Turing.
Si les grands physiciens du début du XXème siècle n’avaient pas décortiqué l’atome et découvert les particules et leurs propriétés, nous n’aurions pas pu mettre au point le Laser en 1960, ni utiliser la radiothérapie qui permet de soigner efficacement des millions de malades du cancer dans le monde.
Sans l’étrange mécanique quantique, élaborée pendant le premier quart du XXème siècle par quelques physiciens de génie (Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Dirac, De Broglie, Born…), nous ne serions pas en train de concevoir des ordinateurs quantiques dont la puissance de calcul défie l’imagination et qui vont ramener, sans doute au cours de la prochaine décennie, nos ordinateurs actuels à l’âge de pierre… Et que dire de la découverte de la structure de l’ADN en 1953 par Watson et Crick qui permet aujourd’hui de commencer à utiliser avec succès les premières thérapies géniques dans le traitement de maladies graves, je pense au syndrome de Wiskott-Aldrich, à la β-thalassémie, à la drépanocytose ou encore, plus récemment, à la leucémie aiguë lymphoblastique. Enfin, sans la relativité générale, nous ne disposerions pas aujourd’hui, partout dans le monde, de systèmes GPS d’une extrême précision qui permettent de nous orienter en toutes circonstances.
Je suis pour ma part convaincu que les avancées technologiques tout à fait remarquables qui ont été accomplies dans les domaines de l’optique, de la mécanique, de l’électronique ou des matériaux pour parvenir à détecter ces ondes gravitationnelles, trouveront un jour de multiples applications scientifiques et industrielles et finiront par transformer profondément notre vie quotidienne, comme l’ont fait en leur temps les découvertes de l’électron, des rayons X, du transistor, de la structure de l’ADN ou des nanotubes de carbone.
Mais cette première observation directe des ondes gravitationnelles devrait également ouvrir une nouvelle et puissante fenêtre d’observation pour la compréhension des mystérieux trous noirs (une appellation que l’on doit au physicien américain John Wheeler en 1967), qui restent à ce jour les objets les plus déroutants et les plus fascinants de l’Univers. Après avoir longtemps cru que les trous noirs étaient relativement rares, la majorité des scientifiques pense à présent qu’il en existe des milliards de toutes tailles dans l’Univers et qu’ils étaient déjà présents en grande quantité dès les premiers âges de l’Univers.
Il y a un an, une équipe internationale d’astrophysiciens a repéré, à une distance de 12,8 milliards d'années-lumière de notre Terre, un trou noir absolument gigantesque, d'une masse de 12 milliards de fois supérieure à celle du Soleil de notre système. Les scientifiques datent son apparition de 875 millions d'années après la naissance de l'Univers, ce qui fait que l’âge de cet immense trou noir n’est que de 6 % inférieur à celui de l’Univers. Ils l'ont baptisé "SDSS J0100+2802". Problème, ces chercheurs sont incapables d’expliquer dans le cadre théorique actuel comment un trou noir aussi énorme a pu se former et se développer en si peu de temps...
Certains physiciens et cosmologistes, s’appuyant sur ces observations, pensent même que les trous noirs sont bien plus que des objets cosmiques curieux et « exotiques » et jouent en réalité un rôle tout fait essentiel dans l’organisation et la structure même de notre Univers, dans son évolution et peut-être même dans son origine. Selon une hypothèse formulée en 2000 par Niayesh Afshordi, astrophysicien au Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo (Canada), il est possible que notre Univers soit issu d’un trou noir résultant de l’effondrement d’une étoile quadridimensionnelle, elle-même issue d’un autre univers à quatre dimensions d’espace. Dans cette hypothèse, l’Univers à trois dimensions dans lequel nous vivons pourrait être l’une des « branes » d’un "Méta-Univers" plus vaste et éternel et possédant quatre dimensions d’espace… Ce modèle expliquerait l’étonnante uniformité de notre Univers, son « isotropie », comme disent les physiciens.
Mais s’il n’est pas exclu que notre Univers soit issu d’un trou noir à quatre dimensions, il est également possible que les trous noirs, souvent dépeints comme des phénomènes d’une extrême violence et totalement incompatibles avec la vie, aient en réalité joué un rôle déterminant dans l’apparition du vivant. En 2007, des chercheurs américains ont en effet constaté, en utilisant les observations du satellite XMM Newton, que les trous noirs possédaient la particularité de contribuer, via des flux de gaz interstellaire, à la nucléosynthèse primordiale, processus par lequel les étoiles fabriquent les éléments chimiques (carbone, oxygène, azote) indispensables à l’apparition de la vie.
Soulignons enfin que l’étude et l’observation directe de ces ondes gravitationnelles devraient également faire avancer la réflexion conceptuelle sur la construction d’une théorie quantique de la gravitation qui permette enfin une articulation plus satisfaisante et plus cohérente de la physique quantique et de la relativité générale.
Au-delà de ses inévitables et nombreuses retombées technologiques, si cette découverte est si importante, c’est parce qu’elle nous ouvre de nouveaux et vastes horizons sur notre Univers et qu’elle nous permet d’en saisir avec encore plus de profondeur son ordre, son harmonie et sa splendeur. Nous avons à présent la certitude que les quatre composantes fondamentales qui forment le réel : « la matière, l’énergie, l’espace et le temps », qui en structurent à la fois la forme et le contenu, ne sont pas indépendantes mais intimement liées et qu’elles se coproduisent selon des lois tout à fait surprenantes qui semblent être éternelles et s’appliquer partout.
Après une telle découverte, nous devons plus que jamais continuer à gravir avec opiniâtreté, humilité et émerveillement, ces sentiers de la connaissance et laissons le dernier mot à Einstein qui écrivait en 1936, « Le mystère éternel du monde est qu’il soit compréhensible, cela tient du miracle ».
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
