L’onde gravitationnelle

L’une des prédictions de la relativité générale va probablement jouer un rôle clef dans l’astronomie du futur. Lorsqu’un corps massif est soumis à une accélération, l’espace-temps autour de lui doit en permanence se réajuster, ce qui se traduit par de légères perturbations qui se propagent à la vitesse de la lumière. On les appelle des ondes gravitationnelles.

L’émission d’ondes gravitationnelles

Une preuve indirecte de l’existence de ces ondes fut apportée en 1974 par les astrophysiciens américains Joseph Taylor et Russell Hulse. A cette époque, ils étudiaient le pulsar PSR1913+16, qui avait la particularité d’être membre d’un système binaire constitué de deux étoiles à neutrons. En étudiant les émissions radio du pulsar, les deux astronomes furent en mesure de déterminer la période orbitale du couple. Ils se rendirent alors compte que celle-ci décroissait légèrement, d’un millième de seconde par an. Ce phénomène fut interprété comme la conséquence de l’émission d’ondes gravitationnelles.

En effet, les deux étoiles à neutrons étant rapides et massives, leur mouvement donne lieu à une forte émission d’ondes gravitationnelles qui emportent avec elles beaucoup d’énergie. Par conséquent, le système binaire doit perdre un peu de son énergie, ce qui se traduit par une diminution de la distance entre les deux étoiles et par une baisse de leur période orbitale, exactement l’effet observé par Taylor et Hulse.

La décroissance de la période mesurée en 1974 était exactement celle que la relativité générale prévoyait pour une étoile binaire émettant des ondes gravitationnelles. Ce fut donc une nouvelle vérification de la théorie, mais surtout une preuve indirecte de l’existence de ces ondes.

L’astronomie du futur

L’interaction gravitationnelle, même si elle domine à grande échelle, est extrêmement faible à une échelle microscopique. En conséquence, les ondes gravitationnelles interagissent très peu avec la matière. Elles traversent sans problème les concentrations de masse les plus fortes, par exemple une étoile à neutrons. L’Univers est en quelque sorte transparent aux ondes gravitationnelles.

Cette propriété en fait un outil de choix pour l’astronomie. En effet, de nombreux processus astrophysiques nous sont totalement inaccessibles. Par exemple, nous ne pouvons observer que la surface des étoiles car le rayonnement des régions internes ne peut pas s’échapper. L’étude des ondes gravitationnelles émises par ces processus nous permettrait de les étudier directement.

Cette possibilité ouvrirait la voie à l’étude de certains des phénomènes les plus intéressants de l’astronomie : effondrement gravitationnel des étoiles massives, fusion de deux étoiles à neutrons dans un système binaire, processus en jeu au centre des galaxies ou bien tous les phénomènes associés aux trous noirs.

VIRGO

L’interféromètre franco-italien VIRGO près de Pise est composé de deux bras orthogonaux de trois kilomètres. Cet instrument utilise le principe de l’interféromètre de Michelson pour mesurer d’infimes variations relatives de la longueur des bras causées par le passage d’ondes gravitationnelles. Crédit : CNRS/INFN

La détection des ondes gravitationnelles

Cet avantage des ondes gravitationnelles devient un inconvénient lorsqu’il s’agit de les détecter. Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse un objet, le passage se manifeste par des oscillations de celui-ci. Un cercle est par exemple momentanément transformé en une ellipse. Il devrait ainsi être facile de détecter le passage d’une onde gravitationnelle mais les perturbations sont extrêmement faibles et très difficiles à observer.

Pour se fixer les idées, imaginons qu’une supernova explose dans notre Galaxie. Il s’agit là d’un cas très favorable qui devrait conduire à une forte dose d’ondes gravitationnelles au niveau de la Terre. La variation relative de taille ne serait cependant que d’un milliardième de milliardième, l’équivalent d’un changement d’une fraction de micromètre dans la distance du Soleil à la Terre. Une telle précision est clairement hors de portée à l’heure actuelle.

Les astrophysiciens ont une fois de plus relevé le défi. Plusieurs grands instruments, en particulier VIRGO et LIGO, sont en cours de construction. Ce sont tous des interféromètres fonctionnant selon le même principe que le système d’Albert Michelson.

Le rayonnement provenant d’un laser est divisé en deux faisceaux. Ceux-ci sont envoyés dans des directions perpendiculaires, puis réfléchis par des miroirs et finalement recombinés. L’analyse de la lumière après recombinaison permet de dire si la durée de propagation de la lumière dans l’une des directions a été perturbée. Si tel est le cas, cela signifie que la distance parcourue par l’un des faisceaux a légèrement varié sous l’effet du passage d’une onde gravitationnelle.

Étant donné la faiblesse des effets à mesurer, ces interféromètres doivent être très sensibles. En particulier, la distance parcourue par la lumière doit être aussi grande que possible. Pour cette raison, ces détecteurs sont gigantesques, leurs bras font plusieurs kilomètres de long. Il est également crucial de réduire toutes les sources de bruit parasite, tout spécialement celles d’origine sismique ou thermique.

Malgré toutes ces difficultés, l’optimisme est de rigueur et les prochaines années devraient voir la naissance d’une nouvelle branche de l’astronomie, l’étude de l’Univers au moyen des ondes gravitationnelles.

Le projet NGO (anciennement LISA)

Finissons par un projet encore plus ambitieux. En effet, un détecteur à la surface de la Terre sera toujours très limité. Pour améliorer encore la sensibilité, l’espace est la seule solution. Ainsi, un projet spatial de l’ESA appelé NGO (New Gravitational wave Observatory) est à l’étude. Il s’agirait d’un ensemble de satellites travaillant de façon coordonnée.

Au lieu de quelques kilomètres, la taille équivalente du détecteur serait alors de plusieurs millions de kilomètres. Un tel système rendrait possible l’étude d’une plus grande variété de phénomènes ainsi que la détection d’événements beaucoup plus lointains.