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Edito : Ondes gravitationnelles, trous noirs lumineux, fluctuations quantiques du vide : un nouvel ordre cosmique se dévoile…

Il y a 5 ans, en septembre 2015, une équipe de recherche internationale parvenait, pour la première fois, à détecter des ondes gravitationnelles, en utilisant les nouveaux interféromètres laser géants de Ligo – l’un situé en Louisiane, l’autre à 3 000 kilomètres, dans l’État de Washington. Depuis ce moment historique, les astrophysiciens ont pu détecter de nombreuses autres émissions d’ondes gravitationnelles en provenance de lointaines régions du Cosmos.

La découverte de ces ondes gravitationnelles constitue une avancée scientifique tout à fait considérable, car elle confirme une nouvelle fois une des conséquences majeures de la  théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, à savoir la nature élastique de l'espace-temps. Cette théorie prévoit en effet qu’un objet déforme d’autant plus la structure de l’espace-temps que sa masse est importante. En outre, si cet objet subit une accélération très rapide, ces déformations de l’espace-temps vont alors se propager comme des vagues à la surface de l’eau et former ces fameuses ondes gravitationnelles.

Mais, dans l’état actuel de la technologie, seules les ondes gravitationnelles générées par des astres à la fois très denses et très massifs peuvent être détectées par les instruments de mesure. C’est notamment le cas lors de la fusion de deux étoiles à neutrons ou de deux  trous noirs.

Toutefois, bien que ces ondes gravitationnelles résultent de phénomènes cosmiques d’une violence presque inimaginable, elles restent extrêmement difficiles à détecter et nécessitent des capteurs capables d’enregistrer des variations de longueurs d’ondes cent millions de fois plus petites que la taille d'un atome par kilomètre ! Atteindre une telle sensibilité a constitué un véritable défi technologique qui n’a été surmonté, et à la fin du siècle dernier, qu’avec la construction de deux interféromètres géants : Virgo, situé en Italie, près de Pise et Ligo, situé aux Etats-Unis.

Ces installations géantes émettent un rayon laser qui est séparé en deux faisceaux. Ceux-ci sont dirigés dans deux bras perpendiculaires de trois kilomètres de long et chaque faisceau va  parcourir de multiples allers-retours en se réfléchissant sur des miroirs. A l’issue de ce va-et-vient, chaque faisceau croise l’autre, avec lequel il se recompose. Si ces deux faisceaux se superposent parfaitement, cela veut dire que les ondes lumineuses ont parcouru exactement la même distance. En revanche, si l’on observe un très léger décalage entre ces deux faisceaux, cela signifie qu’une onde gravitationnelle est venue traverser le dispositif et a modifié de manière infime la longueur totale des deux bras. Voilà pour la théorie mais, dans la pratique, il a fallu concevoir et réaliser des installations parfaitement isolées des vibrations et micros-séismes qui traversent en permanence la surface de notre planète, ce qui a pris plus de 20 ans.

Ce n’est finalement qu’en 2015 que les deux interféromètres européens et américains Virgo et Ligo ont atteint une sensibilité suffisante pour pouvoir détecter de manière fiable les premières ondes gravitationnelles, issues de la fusion violente, appelé coalescence, de deux trous noirs pesant respectivement 29 et 36 masses solaires.

Depuis 5 ans, Ligo et Virgo ont réussi à détecter une cinquantaine d’émissions d’ondes gravitationnelles, principalement des fusions de trous noirs. Ces nouvelles données ont permis aux astrophysiciens de revoir complètement leurs théories concernant l’évolution et la nature de ces objets fascinants, qui restent encore très mystérieux et font les beaux jours des romans et films de Science-Fiction.

Il semblerait en effet que certains couples de trous noirs détectés par Virgo et Ligo résultent de l’effondrement de couples d'étoiles massives, mais certains gros trous noirs observés pourraient également résulter de fusions successives de petits trous noirs. Comme le souligne Astrid Lamberts, membre de Virgo au laboratoire Lagrange, « Les ondes gravitationnelles nous montrent clairement qu'il n'y a pas un seul schéma d'évolution des étoiles massives mais toute une diversité qu'il faut prendre désormais en compte dans nos modèles ».

Les détections à répétition d’ondes gravitationnelles ont également permis de mieux comprendre un autre phénomène cosmique : la fusion des étoiles à neutrons. En 2017, la première observation d’une fusion de deux étoiles à neutrons a permis d’évaluer la nature et l’intensité du rayonnement d’énergie émis, sur l’ensemble du spectre électromagnétique, par cet événement cataclysmique. Mais les astrophysiciens comptent bien aller plus loin dans la compréhension des étoiles à neutrons et utiliser la détection et l’analyse des ondes gravitationnelles pour mieux connaître l’état étrange de la matière au cœur des ces astres qui possèdent une densité, qui défie l’entendement, qui est cinq fois celle qui règne dans un noyau atomique.

Cette nouvelle astronomie gravitationnelle offre également un nouvel outil très précieux qui pourrait permettre, en s’appuyant sur un grand nombre d’observations, de mesurer plus précisément la vitesse d'expansion de l'Univers, un paramètre essentiel qui fait aujourd’hui l’objet d’un vif débat au sein de la communauté scientifique, car la valeur obtenue varie de manière inexplicable selon les méthodes utilisées.

L’observation de ces ondes gravitationnelles est également utilisée pour vérifier de manière encore plus précise la théorie de la relativité générale et essayer de la prendre en défaut. A l’occasion de chaque nouvelle détection, les astrophysiciens comparent la forme de l'onde prévue selon le cadre de la relativité générale à celle de l'onde effectivement observée, afin de rechercher une infime différence qui pourrait indiquer que la théorie ne serait pas complète.

Ce travail de comparaison permet également de tester des théories alternatives à la relativité générale. En 2017, l’observation fine de fusion d'étoiles à neutrons a par exemple permis de comparer la vitesse de la lumière à celle des ondes gravitationnelles. Résultat : les deux vitesses sont identiques, à 10-15 près. Cette équivalence parfaite des vitesses observées a permis de réfuter certaines théories physiques concurrentes, qui tentent de décrire l'accélération de l'expansion de l'Univers sans recourir à l’énergie noire, mais en modifiant les lois de la gravitation, et en postulant que la vitesse des ondes gravitationnelles et celle de la lumière sont légèrement différentes.

Sur cette question concernant la vérification expérimentale de certains aspects de la relativité générale, il faut également évoquer une récente et remarquable expérience réalisée par une équipe scientifique européenne. Ces chercheurs ont analysé les signaux d’un pulsar nommé « PSR J0337+1715 » enregistré par le grand radiotélescope de Nançay, en Sologne.

Cette observation visait à vérifier de manière très précise le principe de l’universalité de la chute libre, démontré pour la première fois il y a quatre siècles par Galilée, qui veut que deux corps lâchés dans un champ gravitationnel subissent la même accélération indépendamment de leur composition. Ce principe est également l’une des clefs de voute de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Pour le vérifier dans des conditions extrêmes, les astrophysiciens ont observé un système stellaire composé du Pulsar J0337+1715, une étoile à neutrons dont le noyau stellaire possède une masse égale à 1,44 fois celle du Soleil, et de deux naines blanches dont la gravité est bien plus faible.

Ces chercheurs ont pu démontrer que, même dans cette situation extrême, le champ gravitationnel du pulsar ne diffère pas de plus de 1,8 partie par million par rapport à la prédiction de la relativité générale. Il s’agit là de la vérification expérimentale la plus précise jamais obtenue de la théorie d’Einstein pour des objets dont la masse est essentiellement constituée de leur propre énergie gravitationnelle.

L’astronomie gravitationnelle n’a que 5 ans, mais elle voit loin et prépare déjà le futur. Les scientifiques préparent déjà une nouvelle génération de détecteurs. Ils s’appelleront Einstein Telescope, pour la version européenne, et Cosmic Explorer, pour sa déclinaison américaine. Prévus en 2030, ces interféromètres géants pourraient être équipés de bras de 40 km, dix fois plus longs et plus sensibles que ceux de leurs homologues actuels. Ils seront capables de détecter, jusqu’aux premiers âges de l’Univers, plusieurs centaines de fusions de trous noirs et d’étoiles à neutron chaque jour.

Vers 2034, ces détecteurs terrestres de très grande taille devraient être complétés par un nouvel instrument spatial, baptisé LISA, qui sera mis sur orbite. Celui-ci pourra travailler dans le spectre de grandes longueurs d’ondes et observer des phénomènes encore très mal connus, provoqués par la fusion de trous noirs supermassifs, ayant des masses colossales pouvant atteindre des millions de fois celle de notre soleil et se trouvant généralement au centre des galaxies.

Ce système d’observation spatial sera composé de trois satellites reliés par faisceaux laser, de manière à former un interféromètre géant, dont les bras mesureront… 2,5 millions de kilomètres ! En combinaison avec leurs homologues terrestres, cet interféromètre spatial, LISA, tentera de percer les secrets de trous noirs supermassifs très anciens, qui figurent parmi les objets les plus mystérieux de l’Univers, et sont peut-être le produit de la coalescence progressive de trous noirs plus petits. En permettant une meilleure connaissance de la genèse et de la nature de ces trous noirs très particuliers, ces nouveaux systèmes d’observation gravitationnelle devraient nous permettre d’accomplir des progrès décisifs sur la nature de la matière noire, de l’énergie sombre, répulsive, qui s’oppose à la gravitation, et sur la vitesse d’expansion de notre Univers.

Mais ces ondes gravitationnelles ne permettent pas seulement aux scientifiques de progresser à pas de géant dans la connaissance de notre Univers, elles nous ouvrent également un nouveau et fascinant chemin pour mieux comprendre l’infiniment petit. Il y a quelques semaines, des chercheurs du laboratoire LIGO du MIT, en analysant les interactions entre matière et rayonnement, sont parvenus pour la première fois à relier de manière décisive des phénomènes cosmiques aux fluctuations quantiques du vide, établissant un « pont » expérimental entre la physique quantique et la relativité générale (Voir LIGO).

Comme l’a montré le physicien Werner Heisenberg il y a un siècle, dans le Cosmos, une onde se déplace toujours dans un champ d'énergie minimal, qui correspond à des fluctuations quantiques de ce système, régies par le principe d’incertitude qui empêche de connaître simultanément avec une précision absolue la vitesse et la position d’une particule. Problème, pour mettre en évidence ces fluctuations quantiques fondamentales, il faut parvenir à mesurer des variations de longueur des faisceaux laser qui sont de l’ordre du milliardième de la taille d'un atome !

Pour mesurer des variations aussi infimes, les chercheurs ont dû déployer des trésors d’ingéniosité. Ils ont notamment dû rechercher et éliminer toutes les sources de perturbations externes et de bruits possibles, à commencer par celles qui affectent les miroirs de 40 kg, sur lesquels se réfléchissent les faisceaux laser.

Finalement, en déployant une multitude de systèmes de corrections et de compensation des vibrations, ces chercheurs ont réussi, pour la première fois, à mettre en évidence l'effet des fluctuations quantiques de la lumière sur des objets macroscopiques, à savoir des miroirs de réflexion pesant plusieurs dizaines de kg.

Une autre découverte récente surprenante concerne la première observation probable d’un flash lumineux provenant d’une collision très particulière de deux trous noirs (Voir Science Daily). Quand deux trous noirs entrent en collision, ils finissent par fusionner lorsque leurs horizons respectifs se rencontrent. Le résultat de ce cataclysme est un trou noir plus massif et plus grand, dont la masse est cependant légèrement plus faible que la somme des deux trous noirs initiaux. Cette différence s’explique parce que cette masse manquante est dissipée sous forme d’ondes gravitationnelles.

Pourtant, cette fusion n’émet en principe aucune lumière. Mais, on le sait, chaque règle a son exception. Et dans ce cas de figure, le nouveau trou noir se retrouve propulsé à grande vitesse dans l’espace. Cette accélération très violente, si elle a lieu dans un milieu riche en gaz et en poussières, peut parvenir à échauffer la matière environnante, jusqu’à provoquer une émission intense de lumière. C’est précisément le phénomène que pense avoir détecté Mathew Graham, du California Institute of Technology de Pasadena. Le signal lumineux observé provient justement d’un quasar qui serait en train d’être dévoré par un gigantesque trou noir, dans une région contenant beaucoup de gaz et de la poussière, un milieu propice à la détection d’une lumière produite par le déplacement d’un trou noir à plus de 700 000 km/h dans ce disque de matière.

Reste que les origines de cette émission lumineuse partagent la communauté scientifique et il faudra attendre début 2021 pour être certain que ce flux de lumière a bien été causé par le trou noir : ce dernier va en effet repasser dans le disque d’accrétion du quasar au début de l’année prochaine et, si l’hypothèse de Graham est correcte, on pourra alors observer un nouveau puissant sursaut lumineux provenant de la même région cosmique.

Evoquons enfin une dernière découverte de grande importance concernant les quasars. Les quasars sont des sources de rayonnement quasi-stellaire qui constituent les noyaux actifs de galaxie. Ils se composent d’un trou noir supermassif, avec un disque de matière qui tourne autour. La matière de ce disque qui n’est pas aspiré par le trou noir est éjectée à très grande vitesse dans l’espace, sous forme de flux énergétiques puissants.

Un consortium international regroupant plus de 200 chercheurs, après avoir étudié pendant dix ans la radiogalaxie Centaurus A, située à 13 millions d’années-lumière de la Terre, a pu mesurer l’émission des photons gamma - les photons les plus énergétiques - de son quasar. Ils ont alors découvert que ces émissions de particules, de manière surprenante, proviennent de l’ensemble du jet des plasma, et pas seulement du centre du quasar. Ces jets de plasma issus des quasars semblent donc redistribuer de l’énergie dans tout l’Univers et jouent probablement un rôle majeur dans la structure même du Cosmos (Voir Nature).

Toutes ces récentes découvertes nous révèlent un univers bien plus riche, complexe et diversifié qu’on ne l’imaginait encore récemment. Ces avancées scientifiques confirment en outre la puissance du cadre théorique de la relativité générale d’Einstein pour comprendre la nature et l’évolution du Cosmos, Enfin, ces observations confirment qu’il semble bien exister un lien fondamental subtil, qu’il reste à conceptualiser sur le plan théorique, entre la relativité générale qui forme le cadre de l’infiniment grand et la physique quantique, qui régit le monde étrange des atomes et des particules.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

e-mail : tregouet@gmail.com

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