VIDÉO - Espace : ce qu'il faut savoir après la découverte des ondes gravitationnelles prédite par Einstein

ÉCLAIRAGE - Ce jeudi 11 février, le monde scientifique a fait une découverte majeure : la mesure d'ondes gravitationnelles, dont Albert Einstein avait prédit l'existence. Voici tout ce qu'il faut savoir sur cette découverte.

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Ondes gravitationnelles : les détecteurs de l'extrême Crédit Image : HO / EUROPEAN SOUTHERN OBSERVATORY / AFP

Depuis près de 100 ans, les astrophysiciens cherchent à mesurer l'existence de "vibrations de l'espace-temps". Ce suspense centenaire a pris fin ce jeudi 11 février 2016. Une vaste communauté internationale de 1.000 scientifiques a présenté au monde entier un "objet" physique inédit : les ondes gravitationnelles. "Cette avancée marque la naissance d'un domaine de l'astrophysique entièrement nouveau, comparable au moment où Galilée a pointé pour la première fois son télescope vers le ciel" au XVIIe siècle, a souligné France Cordova, directrice de la Fondation nationale américaine des sciences.

Ces ondes gravitationnelles ont été détectées aux États-Unis le 14 septembre dernier par les deux instruments de l'observatoire Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), qui mesurent chacun quatre kilomètres. L'équipe de scientifiques du Ligo travaille en étroite collaboration avec leurs collègues du Centre National de la recherche scientifique (CNRS) français, et avec les équipes du détecteur franco-italien Virgo, près de Pise (Italie), qui devrait être opérationnel à la fin de l'année. "Ce nouveau regard sur la voûte céleste va permettre d'approfondir notre compréhension du cosmos et conduire à des découvertes inattendues", a encore prédit France Cordova. Les ondes gravitationnelles sont produites par de légères perturbations subies par la trame de l'espace-temps sous l'effet du déplacement d'un objet de grande masse. Elles se propagent à la vitesse de la lumière et rien ne les arrête

Albert Einstein en avait prédit l'existence dans sa théorie de la relativité de 1915, mais elles n'avaient jamais encore été directement détectées. L'annonce d'une telle découverte représente donc un événement scientifique majeur, comparable à la découverte des premières planètes hors de notre système en 1995, par exemple. Depuis 50 ans, les chercheurs parient sur l'existence de ces ondes gravitationnelles, qui sont des "vibrations de l'espace-temps"

Quelle est l'origine des ondes gravitationnelles ?

Pour comprendre les ondes gravitationnelles, il faut d'abord avoir en tête une idée claire du rapport espace-temps. Ce sujet est abordé dans la théorie de la relativité générale, oeuvre d'Albert Einstein. L'espace-temps est composé de quatre dimensions (trois d'espace, une de temps) et représente donc l'espace et le temps, comme deux notions inséparables qui s'influent mutuellement. Nous pouvons illustrer ce concept avec des objets que chacun connait.

Concrètement, prenons un drap tendu. Si l'on y pose une bille, le drap se déformera sous le poids du petit objet. Si la bille est lourde, elle se placera alors au centre du drap. Prenons une seconde bille, plus légère. En la posant sur le drap, elle roulera vers la boule lourde, comme si elle était attirée, aimantée par cette dernière. En réalité, cette attraction est le résultat indirect de la forme du drap. La gravitation exercée par la bille elle-même déforme l'espace-temps autour d'elle. 

La forme du drap, qui représente l'espace-temps, est alors modifiée par la présence de matière. C'est ainsi qu'une heure n'est pas toujours une heure : cette déformation raccourcit ou dilate les distances. Il n'existe pas de temps universel, et l'espace est une structure dynamique. Nous n'aurions pas illustré le concept plus simplement :

Comment se manifestent-elles ?

La théorie de la relativité générale décrit donc notre univers sous forme d'espace-temps. Reprenons notre bille. Lorsqu'elle est posée sur le drap, ce dernier bouge, sa structure se modifie : il vibre. Les vibrations du drap, notre espace-temps, sont des ondes gravitationnelles. Sauf que dans notre espace-temps, il n'y a pas de petites billes pour produire des perturbations. Elles sont produites par des objets de grandes masses : des trous noirs ou des étoiles à neutrons

Ce serait une collision entre deux trous noirs, 29 et 36 fois la masse de notre Soleil, qui aurait permis aux scientifiques de détecter des ondes gravitationnelles. Les étoiles évoluent, pour arriver à un stade ultime : la transformation en trou noir, un objet céleste tellement dense qu'il empêche toute forme de matière ou lumière de s'en échapper.

La collision aurait évidemment engendré des vibrations, c'est-à-dire... des ondes gravitationnelles, qui se propageraient à travers tout l'espace, pour atteindre notre planète. Les scientifiques ont parié que ces ondes seraient détectables depuis la Terre. L'amplitude de ces vagues étant extrêmement faible, il est très difficile de les mesurer. Pour cela, deux interféromètres, l'américain LIGO et le franco-italien VIRGO, ont été utilisés. La collision de ces deux trous noirs supposent que l'équivalent de trois masses solaires soit parti dans l'énergie des ondes gravitationnelles. Et oui, masse et énergie peuvent se convertir l'une en l'autre. C'est le fameux E=mc².

Qu'implique cette découverte ?

Cette découverte, si elle est confirmée, ouvrirait une nouvelle fenêtre sur l'Univers. C'est en soit une nouvelle façon d'observer ce qui nous entoure. Il serait alors possible de voir des objets invisibles avec les moyens électromagnétiques utilisés actuellement, car n'émettant pas de lumière, comme les trous noirs. Grâce aux signaux reçus, les astrophysiciens pourraient déduire la distance, le taux de rotation ou la masse de ces structures.

Tuck Stebbins, chef du laboratoire d'Astrophysique gravitationnelle de la NASA explique à l'AFP que "la gravité est la principale force de l'Univers, et ses effets sur l'espace-temps produisent des ondes gravitationnelles qui se diffusent partout dans le cosmos [...] Si on pouvait détecter ces ondes, il serait alors possible de remonter à la première milliseconde du Big Bang". De quoi exciter les scientifiques, et nous même, tout petits terriens. 

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par Caroline Brenière
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