Le 14 Septembre 2015 est réalisée la première détection d’ondes gravitationnelle, deux trous noirs stellaires (les trous noirs stellaires sont les trous noirs les plus communs de l’univers, ils se forment lors de la mort d’une étoile suffisamment massive, au moins 3 fois plus que le soleil) de 29 et 36 masses solaires (une masse solaire correspond à une fois la masse du Soleil, soit environ 2x1030 kg) tournant autour l’un de l’autre fusionnent. Lors de cet événement, les deux trous noirs accélèrent à un tiers de la vitesse de la lumière puis se rencontrent et fusionnent en moins d’une seconde. Le phénomène se déroula à 1,3 milliard d’années lumières et donc il y a environ 1,3 milliard d’années, il est appelé coalescence de trous noirs et produit des ondes gravitationnelles qui traversent l’univers à la vitesse de la lumière.
Le concept d’onde gravitationnelles apparaît au début du 20ème siècle, d’abord théorisé par Henri Poincaré qui les désignera « d’onde gravifique » en 1905, puis par Albert Einstein qui en 1916, se basera sur sa théorie de la relativité restreinte pour en faire une prédiction plus complète, c’est l’apparition des ondes gravitationnelles. D’abord simple spéculation, on pensait que ces ondes pouvaient n’avoir aucune réalité physique, n’étant que le résultat d’un choix de coordonnées, il faudra attendre 1957 pour que leur existence soit définitivement prouvée. (pour plus d’information sur cette preuve voir ce lien)
Des prototypes de détecteurs d’ondes gravitationnelles seront construits dès le début des années 2000, mais par manque de précision,ils ne détecteront aucune onde. Il faudra attendre 2015 pour que LIGO détecte les premières ondes gravitationnelles. Pour ce faire, un rayon laser est séparé en deux faisceaux, chacun est alors dirigé dans un long tunnel (ou bras) perpendiculaire l’un par rapport à l’autre. A l’intérieur se situe un système de miroir. Le faisceau va parcourir de nombreux aller-retour dans le bras en se réfléchissant sur les miroirs, puis va rencontrer de nouveau l’autre faisceau. Si les deux faisceaux ont parcouru la même distance, ils se recomposent parfaitement par interférométrie. L’interférométrie est une technique qui consiste à faire entrer en interférence deux ondes, si elles sont en phase elles s’additionnent, on dit que ce sont des interférences constructives. Si elles sont déphasées, elles ne s’additionnent pas et peuvent même s’annuler, on dit que ce sont des interférences destructives (pour aller plus loin). Si une onde gravitationnelle est passée par le détecteur entre temps, elle va légèrement allonger un bras du détecteur et raccourcir l’autre, les faisceaux n’ont donc pas parcouru exactement la même distance et ainsi ne se recomposent pas parfaitement, il y a un léger déphasage, l’onde est détectée. Ces mesures doivent être extrêmement précises puisqu’on estime qu’un cercle du diamètre de la Terre se déformerait d’environ 10-13m au passage d’une onde gravitationnelle. Pour augmenter la précision des mesures, deux moyens principaux sont mis en place. La longueur du parcours des lasers est la plus longue possible (3000km pour LIGO). Toute potentielle perturbation extérieure est atténuée au maximum : les vibrations sismiques, la météo ainsi que les activités humaines représentent autant de sources d’erreurs possibles. Pour contrer cela, des « superatténuateurs » (chaîne de pendules connectés en série) sont installés, ils ont pour but de limiter ces perturbations en agissant comme des absorbeurs de chocs. D’autre part, la totalité des composants principaux du détecteur sont placés sous vide.
Depuis 2015, une dizaine d'autres événements similaires ont été détectés par LIGO et VIRGO (son équivalent européen). Ces observations ont permis de grandes avancées dans le domaine des astres super massifs, donnant notamment naissance à de nouvelle théorie sur la naissance de certains trous noirs stellaires (voir 1 et 2). Ces mesures permettent également de nombreuses applications surprenantes, comme une nouvelle manière de mesurer la vitesse d’expansion de l’univers, une question encore sujette à débat puisque les différentes mesures ne s’accordent pas. Enfin elles apparaissent comme une nouvelle preuve éclatante de la théorie de la relativité générale et restreinte d’Einstein puisqu’elles se conforment parfaitement aux prédictions.
De nombreux projets de détecteurs d’ondes gravitationnelles sont en cours, certains utilisant le même mode de fonctionnement mais en augmentant les performances comme le projet LISA de détecteur dans l’espace (dont chacun des bras mesurerait 2,5 millions de kilomètres). D’autres proposent de nouvelles manières de détecter ces ondes comme le MiniGrail aux Pays-Bas ou encore des propositions consistant à observer directement la Lune et mesurer ses déformations.
Le concept d’onde gravitationnelles apparaît au début du 20ème siècle, d’abord théorisé par Henri Poincaré qui les désignera « d’onde gravifique » en 1905, puis par Albert Einstein qui en 1916, se basera sur sa théorie de la relativité restreinte pour en faire une prédiction plus complète, c’est l’apparition des ondes gravitationnelles. D’abord simple spéculation, on pensait que ces ondes pouvaient n’avoir aucune réalité physique, n’étant que le résultat d’un choix de coordonnées, il faudra attendre 1957 pour que leur existence soit définitivement prouvée. (pour plus d’information sur cette preuve voir ce lien)
Des prototypes de détecteurs d’ondes gravitationnelles seront construits dès le début des années 2000, mais par manque de précision,ils ne détecteront aucune onde. Il faudra attendre 2015 pour que LIGO détecte les premières ondes gravitationnelles. Pour ce faire, un rayon laser est séparé en deux faisceaux, chacun est alors dirigé dans un long tunnel (ou bras) perpendiculaire l’un par rapport à l’autre. A l’intérieur se situe un système de miroir. Le faisceau va parcourir de nombreux aller-retour dans le bras en se réfléchissant sur les miroirs, puis va rencontrer de nouveau l’autre faisceau. Si les deux faisceaux ont parcouru la même distance, ils se recomposent parfaitement par interférométrie. L’interférométrie est une technique qui consiste à faire entrer en interférence deux ondes, si elles sont en phase elles s’additionnent, on dit que ce sont des interférences constructives. Si elles sont déphasées, elles ne s’additionnent pas et peuvent même s’annuler, on dit que ce sont des interférences destructives (pour aller plus loin). Si une onde gravitationnelle est passée par le détecteur entre temps, elle va légèrement allonger un bras du détecteur et raccourcir l’autre, les faisceaux n’ont donc pas parcouru exactement la même distance et ainsi ne se recomposent pas parfaitement, il y a un léger déphasage, l’onde est détectée. Ces mesures doivent être extrêmement précises puisqu’on estime qu’un cercle du diamètre de la Terre se déformerait d’environ 10-13m au passage d’une onde gravitationnelle. Pour augmenter la précision des mesures, deux moyens principaux sont mis en place. La longueur du parcours des lasers est la plus longue possible (3000km pour LIGO). Toute potentielle perturbation extérieure est atténuée au maximum : les vibrations sismiques, la météo ainsi que les activités humaines représentent autant de sources d’erreurs possibles. Pour contrer cela, des « superatténuateurs » (chaîne de pendules connectés en série) sont installés, ils ont pour but de limiter ces perturbations en agissant comme des absorbeurs de chocs. D’autre part, la totalité des composants principaux du détecteur sont placés sous vide.
Depuis 2015, une dizaine d'autres événements similaires ont été détectés par LIGO et VIRGO (son équivalent européen). Ces observations ont permis de grandes avancées dans le domaine des astres super massifs, donnant notamment naissance à de nouvelle théorie sur la naissance de certains trous noirs stellaires (voir 1 et 2). Ces mesures permettent également de nombreuses applications surprenantes, comme une nouvelle manière de mesurer la vitesse d’expansion de l’univers, une question encore sujette à débat puisque les différentes mesures ne s’accordent pas. Enfin elles apparaissent comme une nouvelle preuve éclatante de la théorie de la relativité générale et restreinte d’Einstein puisqu’elles se conforment parfaitement aux prédictions.
De nombreux projets de détecteurs d’ondes gravitationnelles sont en cours, certains utilisant le même mode de fonctionnement mais en augmentant les performances comme le projet LISA de détecteur dans l’espace (dont chacun des bras mesurerait 2,5 millions de kilomètres). D’autres proposent de nouvelles manières de détecter ces ondes comme le MiniGrail aux Pays-Bas ou encore des propositions consistant à observer directement la Lune et mesurer ses déformations.
Blog écrit par : Antoine GRAZIANI et Amar BEN LOUNES
Sources :
Observatoire d'ondes gravitationnelles — Wikipédia (wikipedia.org)
Les premiers pas de l’astronomie gravitationnelle | CNRS Le journal
Quand un trou noir rencontre une étoile à neutrons | CNRS Le journal
Onde gravitationnelle — Wikipédia (wikipedia.org)
TROUS NOIRS : Collisions de trous noirs et ondes gravitationnelles - Encyclopædia Universalis
Lisa | Observer des ondes gravitationnelles depuis l'espace (cnes.fr)
Des technologies de pointe - La Collaboration Virgo (virgo-gw.eu)
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