Représentation des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs.
Représentation des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs. - C. Henze/NASA Ames Research Center

Il y a plus d’un milliard d’années, dans une galaxie très lointaine, deux gigantesques trous noirs ont fusionné. Cette collision cosmique a secoué le tissu de l’espace-temps, dissipant l’énergie de trois soleils sous forme d’ondes gravitationnelles envoyées aux confins de l’univers à la vitesse de la lumière. Le 14 septembre dernier, elles sont arrivées jusqu’à la Terre. « Ladies et gentlemen, nous avons détecté pour la premières fois des ondes gravitationnelles », a annoncé, mercredi, David Reitze, directeur exécutif du laboratoire Ligo (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Il peut avoir le sourire : cette observation confirme l’hypothèse avancée par Einstein dans sa théorie de la relativité générale, il y a 100 ans.

Analyse: Et maintenant, qu'allons-nous pouvoir observer?

Des vibrations de la taille d’un cheveu entre deux étoiles

Tout autour de nous, sous l’action de ces ondes gravitationnelles, l’espace-temps se compresse et s’étend à chaque instant comme un drap élastique, un peu comme un trampoline sur laquelle on lâcherait une bille. Ces vibrations se propagent comme les ondulations provoquées par un caillou jeté à la surface d’un lac, avec une amplitude qui diminue avec la distance. En arrivant sur Terre, elles sont infiniment petites, de l’ordre de 10^(-21) mètres. C’est moins que la taille du noyau d’un atome. A l’échelle de la distance entre le Soleil et notre étoile voisine, Proxima du Centaure, cela représenterait un cheveu.

Le même résultat à 3.000 km de distance

Comment peut-on mesurer des vibrations aussi infimes ? Le Ligo repose sur deux installations identiques en Louisiane et dans l’Etat de Washington. Un laser est séparé dans deux tunnels perpendiculaires de quatre kilomètres de long. Les rayons rebondissent sur des miroirs et repartent en sens inverse. Parce que la distance est identique, ils se rejoignent au même point et se neutralisent : les instruments ne mesurent rien.

(CALTECH)

En revanche, quand une onde gravitationnelle se propage, elle compresse l’espace-temps dans un sens, et l’étend dans l’autre : la distance entre les miroirs change et un rayon revient avant l’autre. C’est ce décalage qui a été mesuré, au même moment, avec la même intensité, à plus de 3.000 km de distance. Parce que les instruments bénéficient d’une isolation sismique totale et que les lasers circulent dans un vide presque absolu, les chercheurs sont certains qu’il s’agit de l’effet d’une onde gravitationnelle et pas d’un camion qui passait dans le coin.

Cette onde a été convertie en son. On peut donc « écouter » l’écho de la collision entre deux trous noirs.

De nouvelles lunettes pour observer l’univers

Jusqu’à présent, l’astronomie reposait « sur l’observation des ondes électromagnétiques (lumière, ondes radio, rayons X) », rappelle le CNRS. La détection des ondes gravitationnelles « 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, s’est enthousiasmée France Cordova, directrice de la Fondation nationale américaine des sciences.

Certains phénomènes et de nombreux objets étaient jusqu’à présent invisibles. Mais grâce aux ondes gravitationnelles, on a pu observer directement la fusion de deux trous noirs pour la première fois. Ce n’est que le début. Des instruments similaires au Ligo vont être mis en service en Italie et au Japon. A terme, d’autres seront déployés dans l’espace. Selon David Reitze, cela permettra de « remonter dans le temps en observant les confins de l’univers ».

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