Ondes Gravitationnelles : ça, c’est fait
Ce jeudi 11/02/2016 un papier[1] a été publié prouvant qu’Einstein avait une fois de plus raison. Cette fois-ci en ce qui concerne les ondes gravitationnelles décrites dans sa théorie de relativité générale (1915). Sur terre une expérience américaine a maintenant démontré l’existence de ces ondes, en septembre 2015, à travers une détection directe et non pas une déduction comme préalablement.
La “force de gravité” n’est pas vraiment une force mais ce sont des rides, des distorsions dans la structure de l’espace-temps, causées par la présence d’objets massifs tel les planètes ou trous noirs. (En réalité par chaque objet, mais l’effet de petits objets est négligeable / imperceptible). Les ondes gravitationnelles sont produites par la distorsion de l’espace-temps quand une masse accélère. Elles étirent l’espace dans une direction, et la compriment dans une autre direction (orthogonale).
Comment visualiser cela ? On dit qu’un satellite gravite autour de la terre ; c’est la masse de la terre qui crée une distortion dans l’espace-temps, un peu comme un tourbillon dans la mer. Il faut alors imaginer la terre au centre du tourbillon, et que le satellite soit suffisamment près du tourbillon pour être attiré dans ce mouvement qui la fait tourner autour de la terre.
Comment détecter les ondes ?
Pour qu’on puisse détecter ces déformations dans l’espace-temps, il faut avoir affaire à des énormes masses tel un trou noir. C’est en mesurant le temps que met la lumière pour parcourir une distance (plus ou moins de temps) qu’on a pu détecter l’existence de ces ondes gravitationnelles ; vu que la vitesse de la lumière est constante, quand l’espace se déforme (plus “grand” ou plus “petit”), la lumière mettra plus ou moins de temps à parcourir la distance.
Grâce aux interféromètres des deux LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, subventionné par le NSF – National Science Foundation),
dont les “bras” ont une longueur de 4km chaque, des physiciens ont découvert des ondes gravitationnelles produites il y a très très longtemps (1.3 milliard d’années), une fraction de seconde avant que deux trous noirs massifs (diamètre de +/- 150km, masse 29x et 36x celle de notre soleil) tournant l’un autour de l’autre
à une vitesse de 0.5x celle de la lumière. Ces deux trous noirs se sont fusionnés (se mangent l’un l’autre) en un trou noir encore plus grand. La masse de ce nouveau trou noir est de 62 soleils. Or 29+36= 65, ce qui veut dire qu’une masse de 3 soleils a été dépensée pour produire (un petit rot de digestion) ces ondes gravitationnelles !
La communication officielle de la NSF, avec une (longue) vidéo qui explique quasi tout :
• Pour une animation de comment c’est détecté dans un LIGO, voir la vidéo ci-dessus à la minute 26’53”)
• Ce genre de collision avait été prédit mais jamais observée. C’est cette collision qui a produit les ondes qu’on vient de détecter. Ils ont été détectés parce qu’en “traversant” la terre elles étirent et compressent celle-ci… (et donc aussi les bras du LIGO).
(On peut même “entendre” cette onde qui nous a traversé, dans la vidéo ci-dessus à la minute 19’09”)
• Ce qui a prouvé la chose , c’est ce graphique ci-dessous, qui montre le même phénomène se produisant dans 2 LIGO différents l’un très loin de l’autre : en gros ça montre que pendant un lapse de 0.15 secondes on a pu observer que l’espace-temps sur terre a vécu une distorsion ; la même à deux endroits différents
Strain = distortion espace-temps
• Une très belle animation de la collision des deux trous noirs, et la relation avec ce qui a été détecté, peut être vu dans la vidéo ci-dessus à 34’05”
(Et je doute que la cravate que porte Kip Thorne dans la vidéo soit vraiment accidentelle…)
• Le moment même de la collision des deux trous noirs et son effet sur les ondes peut être imaginé comme celle d’une goutte d’eau ou d’un caillou qui vient de tomber dans l’eau
Voici une vidéo qui résume les points les plus importants (si vous arrivez à supporter la présentatrice) :
▻https://www.youtube.com/watch?v=72AQsQ2v5cA
Une chouette animation expliquant ce que sont les ondes gravitationnelles :
►https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg
Article dans le Guardian :
Gravitational waves: breakthrough discovery after a century of expectation
▻https://www.theguardian.com/science/2016/feb/11/gravitational-waves-discovery-hailed-as-breakthrough-of-the-century
Site du LIGO :
Pour ceux qui veulent en savoir encore plus, il y a l’excellent et bien écrit livre de Pierre Binétruy, "A la poursuite des ondes gravitationnelles" sorti en 2015
▻http://www.amazon.fr/poursuite-ondes-gravitationnelles-Pierre-Bin%C3%A9truy/dp/2100721852
(il va pouvoir sortir une nouvelle version maintenant ;-))
___
[1] Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
▻http://authors.library.caltech.edu/64405/1/PhysRevLett.116.061102.pdf
[2] Un des LIGO (celui à Hanford dans l’état du Washington. L’autre est à Livingston, Louisiana)
En Europe nous avons le Virgo. Il y a aussi le GEO600 en Allemagne, le LIGO en Inde, et puis le KARGA au Japon.
L’espoir est de pouvoir trianguler l’endroit précis où s’est produite la collision des deux trous noirs, en réunissant les mesures des autres interféromètres.
