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Pour Marco Drago, chercheur en physique de 33 ans originaire de Padoue, et les 1\u2019000 autres scientifiques de la collaboration LIGO<\/a>, le 14 septembre 2015 est un jour \u00e0 marquer d\u2019une pierre blanche. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)<\/a> utilise deux gigantesques d\u00e9tecteurs aux Etats-Unis pour capter des oscillations dans la structure de l\u2019espace-temps: les ondes gravitationnelles. Il y a 100 ans, Albert Einstein avait pr\u00e9dit l\u2019existence de ces ondes et pr\u00e9cis\u00e9 qu\u2019elles \u00e9taient produites par toute masse acc\u00e9l\u00e9r\u00e9e, notamment les \u00e9normes corps lointains dans l\u2019Univers. Pourtant, jusqu\u2019\u00e0 l\u2019automne dernier, LIGO et ses pr\u00e9d\u00e9cesseurs \u00e9taient bredouilles.<\/p>\n Ce fameux jour, Marco Drago travaillait \u00e0 son bureau de l\u2019Institut Max Planck de physique gravitationnelle \u00e0 Hanovre. Il surveillait des donn\u00e9es automatiquement transf\u00e9r\u00e9es \u00e0 des centres de calcul mondiaux. Un peu avant midi, une notification est apparue sur son \u00e9cran, indiquant que les donn\u00e9es collect\u00e9es par LIGO trois minutes auparavant pourraient constituer un signal. Toutes les notifications pr\u00e9c\u00e9dentes s\u2019\u00e9taient av\u00e9r\u00e9es \u00eatre de fausses alertes issues de vibrations terrestres ou d\u2019autres interf\u00e9rences, et non pas d\u2019un cataclysme dans l\u2019espace. Mais cette fois-ci, le signal lui semblait fiable. \u00abDifficile de d\u00e9crire ce que j\u2019ai ressenti, confie-t-il. Nous attendions ce moment depuis des ann\u00e9es.\u00bb<\/p>\n Le 11 f\u00e9vrier 2016, apr\u00e8s avoir contr\u00f4l\u00e9 leurs instruments et analys\u00e9 les donn\u00e9es de fa\u00e7on approfondie, la collaboration LIGO annon\u00e7ait au monde avoir enfin d\u00e9tect\u00e9 des ondes gravitationnelles. Comme l\u2019indique Gabriela Gonz\u00e1lez, porte-parole de LIGO et professeure \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 d\u2019Etat de Louisiane, cette d\u00e9couverte est pr\u00e9cieuse pour les physiciens car elle renforce la th\u00e9orie de la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale d\u2019Albert Einstein. Mais personne ne doutait que cette d\u00e9couverte aurait un jour lieu: des physiciens avaient obtenu dans les ann\u00e9es 1970 la preuve indirecte de la pr\u00e9sence d\u2019ondes gravitationnelles en mesurant minutieusement les ondes radio \u00e9mises par une \u00e9toile de type pulsar.<\/p>\n Ce qui passionne Gabriela Gonz\u00e1lez et ses confr\u00e8res, c\u2019est plut\u00f4t le potentiel r\u00e9volutionnaire de cette d\u00e9couverte sur l\u2019astronomie. Il deviendrait ainsi possible d\u2019observer les ph\u00e9nom\u00e8nes les plus intenses se produisant dans l\u2019Univers gr\u00e2ce aux ondes gravitationnelles qu\u2019ils g\u00e9n\u00e8rent. \u00abPouvoir observer une variation dans l\u2019espace-temps est formidable, mais la communaut\u00e9 scientifique croit d\u00e9j\u00e0 \u00e0 la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale. Ce qui compte, c\u2019est qu\u2019on dispose d\u2019un nouveau moyen d\u2019observer l\u2019espace.\u00bb<\/p>\n A l\u2019\u00e9coute des rayons laser<\/strong><\/p>\n Avant l\u2019automne 2015, les astronomes utilisaient presque exclusivement les rayonnements \u00e9lectromagn\u00e9tiques pour observer l\u2019Univers. S\u2019aidant de la lumi\u00e8re visible, des ondes radio, des rayons X et d\u2019ondes \u00e0 d\u2019autres fr\u00e9quences, les chercheurs ont pu collecter des connaissances tr\u00e8s riches sur le cosmos, allant de la d\u00e9couverte des satellites de Jupiter par Galil\u00e9e aux derni\u00e8res observations du rayonnement fossile du big bang. Mais le rayonnement \u00e9lectromagn\u00e9tique a ses limites: il interagit fortement avec la mati\u00e8re — ce qui le rend facile \u00e0 d\u00e9tecter — mais se retrouve aussi facilement absorb\u00e9 par celle-ci lorsqu\u2019il se d\u00e9place des confins du cosmos vers la Terre.<\/p>\n Le rayonnement gravitationnel est fondamentalement diff\u00e9rent. Alors que les ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques se d\u00e9placent dans l\u2019espace-temps, les ondes gravitationnelles repr\u00e9sentent des distorsions du temps et de l\u2019espace. Ces derni\u00e8res n\u2019interagissent que tr\u00e8s peu avec la mati\u00e8re (la gravit\u00e9 \u00e9tant une force faible), ce qui les rend presque imperceptibles. Elles sont en revanche capables de v\u00e9hiculer des informations sur les mouvements survenant dans les environnements les plus extr\u00eames de l\u2019Univers. De plus, tandis que les ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques transmettent des images d\u2019objets, les ondes gravitationnelles s\u2019apparentent plut\u00f4t \u00e0 des sons refl\u00e9tant des mouvements.<\/p>\n LIGO fait partie des interf\u00e9rom\u00e8tres que les scientifiques ont d\u00e9velopp\u00e9s pour d\u00e9tecter ces ondes. Il poss\u00e8de deux dispositifs, l\u2019un en Louisiane, l\u2019autre dans l\u2019Etat de Washington. Un interf\u00e9rom\u00e8tre est compos\u00e9 de deux longs tubes sous vide, comme des \u00abbras\u00bb perpendiculaires l\u2019un \u00e0 l\u2019autre. Un rayon laser est \u00e9mis depuis le sommet de leur angle: il se divise en deux et traverse chaque bras en ricochant entre les miroirs positionn\u00e9s de mani\u00e8re tr\u00e8s pr\u00e9cise sur les extr\u00e9mit\u00e9s.<\/p>\n Des cr\u00eates et des creux<\/strong><\/p>\n Normalement, les deux lasers rejoignent pr\u00e9cis\u00e9ment le sommet de l\u2019angle de mani\u00e8re \u00e0 s\u2019annuler mutuellement: la cr\u00eate de l\u2019un s\u2019aligne avec le creux de l\u2019autre, ce qui supprime la lumi\u00e8re \u00e0 la sortie des tubes. Le passage d\u2019une onde gravitationnelle d\u00e9forme l\u2019espace en \u00e9tirant l\u2019un des bras et en contractant le second et vice-versa suivant la propagation de ses propres cr\u00eates et creux. L\u2019alignement des cr\u00eates et des creux du rayon laser est perturb\u00e9 en cons\u00e9quence, ce qui se traduit par des variations cycliques de l\u2019intensit\u00e9 lumineuse \u00e0 la sortie des tubes.<\/p>\n C\u2019est pr\u00e9cis\u00e9ment cette variation de l\u2019intensit\u00e9 lumineuse que les scientifiques analysent pour d\u00e9terminer la source de l\u2019onde gravitationnelle qui traverse le dispositif. L\u2019onde d\u00e9tect\u00e9e en septembre dernier pr\u00e9sentait un \u00abchirp\u00bb, une hausse soudaine de la fr\u00e9quence pendant une fraction de seconde avant qu\u2019elle ne s\u2019\u00e9teigne. Il s\u2019agit d\u2019une caract\u00e9ristique des syst\u00e8mes binaires, et dans ce cas, de deux trous noirs qui ont fusionn\u00e9 pour en cr\u00e9er un autre, plus grand et tourbillonnant sur lui-m\u00eame. En plus de prouver que les trous noirs existent, cette onde a permis aux scientifiques d\u2019observer que la masse des trous noirs en question \u00e9tait 29 \u00e0 36 fois sup\u00e9rieure \u00e0 celle du Soleil, et qu\u2019ils ont fusionn\u00e9 il y a environ 1,3 milliard d\u2019ann\u00e9es.<\/p>\n Ewald Mueller, physicien de la Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen et de l\u2019Institut Max Planck d\u2019astrophysique pr\u00e8s de Munich, se r\u00e9jouit de cette d\u00e9couverte. Mais il attend avec impatience les prochaines observations de LIGO et d\u2019autres observatoires d\u2019ondes gravitationnelles, notamment Virgo<\/a>, l\u2019interf\u00e9rom\u00e8tre situ\u00e9 pr\u00e8s de Pise. Il est particuli\u00e8rement \u00e0 l\u2019aff\u00fbt de traces de fusions d\u2019\u00e9toiles \u00e0 neutrons, dont les ondes gravitationnelles r\u00e9v\u00e9leraient le comportement de la mati\u00e8re \u00e0 des densit\u00e9s extr\u00eamement \u00e9lev\u00e9es. Il se r\u00e9jouit \u00e9galement de pouvoir analyser lesexplosions d\u2019\u00e9toiles, dites \u00absupernovae\u00bb, dont les ondes gravitationnelles sont \u00e9mises avant les ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques, ce qui pourrait offrir une vue plus r\u00e9cente et plus directe du processus d\u2019une supernova.<\/p>\n Pour Ewald Mueller, \u00abcette d\u00e9couverte ouvre une nouvelle porte sur l\u2019Univers et permet d\u2019observer des objets qu\u2019on ne connaissait jusqu\u2019alors que de mani\u00e8re indirecte\u00bb.<\/p>\n Une question de pr\u00e9cision<\/strong><\/p>\n Si les ondes gravitationnelles n\u2019ont pas \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvertes plus t\u00f4t, bien que les scientifiques les traquent depuis les ann\u00e9es 1960, c\u2019est \u00e0 cause de l\u2019extr\u00eame faiblesse de leur interaction avec la mati\u00e8re. Einstein pensait m\u00eame qu\u2019elles ne seraient jamais d\u00e9couvertes. L\u2019onde d\u00e9tect\u00e9e en septembre n\u2019a d\u00e9form\u00e9 l\u2019espace que d\u2019une proportion d\u2019un sur 1\u2019000 milliards de milliards. Les bras de LIGO et Virgo mesurent respectivement 4 et 3 km pour rendre ces variations relatives les plus visibles possible dans l\u2019absolu. Malgr\u00e9 cela, la contraction et l\u2019\u00e9tirement des bras de LIGO \u00e9taient \u00e0 peine perceptibles: environ un milli\u00e8me de la largeur d\u2019un noyau atomique.<\/p>\n Ces fluctuations sont ainsi bien plus faibles que celles caus\u00e9es par des sources de \u00abbruit\u00bb communes: ondes sismiques, variations de temp\u00e9rature, passage d\u2019une voiture\u2026 Au d\u00e9but de ses op\u00e9rations, entre 2002 et 2010, LIGO employait des techniques basiques pour r\u00e9duire le bruit, ce qui l\u2019emp\u00eachait finalement de d\u00e9tecter quoi que ce soit. Apr\u00e8s une optimisation de cinq ans et l\u2019emploi de mat\u00e9riaux avanc\u00e9s, les progr\u00e8s sont incontestables. La fusion des trous noirs a \u00e9t\u00e9 d\u00e9tect\u00e9e deux jours apr\u00e8s sa remise en fonction. Une version de cet article est parue dans le magazine Technologist (no 9).<\/p>\n
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