Ondes gravitationnelles
Bref historique
Vaguelettes et courbure géométrique
Interférométrie
A l'écoute des cieux
Analyse des FRB
Les références
Perspective future
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Bref historique Up Page
1916 : Naissance théorique des ondes gravitationnelles
Peu après avoir présenté sa théorie de la relativité générale, Albert Einstein émet l'hypothèse des ondes gravitationnelles.
Si l'espace-temps peut être étiré, contracté, replié ... il peut également tressaillir et vibrer comme une corde de violon ou la surface de l'eau.

1960 : Le première tentative de détection
Le physicien américain Joseph Weber comprend qu'à certaines fréquences les déformations de l'espace-temps prédites par la théorie de la relativité générale peuvent faire vibrer un solide. Il construit le premier détecteur d'ondes gravitationnelles. Sans succès.

1974 : Elles sont mesurées indirectement
Russell Hulse et Joseph Taylor découvrent le pulsar PSR B1913+16. Taylor va ensuite observer, cette fois avec Joel Weisberg, que la période orbitale de ce système stellaire double décroît précisément comme le prédit la théorie d'Einstein. L'existence des ondes gravitationnelles est indirectement démontrée.

2004 : Le grand détecteur Ligo entre en service
Situé en Louisiane (Etats-Unis), le détecteur Ligo entame son premier round d'observation, suivi en 2007 par son alter ego européen Virgo. Pas assez sensibles, les deux expériences restent muettes et sont suspendues en 2011, le temps d'en mettre au point des versions plus performantes.

2015 : La première véritable observation
Le 14 septembre, à 11h51, l'expérience Advanced Ligo enregistre un signal. Celui-ci s'avère, après cinq mois d'analyses, la première preuve observationnelle de l'existence des ondes gravitationnelles. Celles-ci venant de la collision de deux trous noirs qui s'est produite il y a 1,3 milliard d'années et baptisée GW150914.

La petite histoire Up Page
Vaguelettes
Les trous noirs n'émettent pas de rayonnement X, ni même un flash de lumière, rien qui puisse être détecté par les plus puissants télescopes. Toutefois, l'énergie libérée lors de cet événement est émise dans le cosmos sous la forme d'une succession de vaguelettes qui se propagent dans l'espace-temps, ce sont des ondes gravitationnelles.

A l'échelle atomique
Les physiciens espèrent bientôt détecter ces échos gravitationnels, mais le signal reçu serait si faible que le dispositif de mesure doit être capable de détecter des changements de longueur inférieurs de la largeur des noyaux des atomes ! Ce type de mesure est réalisable !

Courbure géométrique
La théorie de la relativité générale stipule que le temps est une dimension similaire aux trois dimensions d'espace et leur combinaison, l'"espace-temps", doit être décrite par le langage de la géométrie. Einstein postule qu'un objet massique courbait le système de coordonnées: une trajectoire courbe dans un système de coordonnées cartésien devenait une trajectoire "droite" (une géodésique) dans un système de coordonnées courbe. La gravité n'est plus une force, mais une manifestation de la courbure de l'espace-temps.
En conséquence, lorsqu'un objet modifie sa forme ou son orientation, ou quand l'agencement d'un ensemble d'objets varie, l'effet de la gravitation (la courbure de l'espace-temps) se propage sous la forme d'ondes gravitationnelles.

Déformation spatiale
Alors que l'accélération gravitationnelle classique pointe toujours en direction de la source, l'onde gravitationnelle est une onde tranverse, c'est-à-dire qu'elle agit orthogonalement à la direction de propagation. Elle s'apparente davantage à la lumière qu'au son, qui est une onde longitudinale.
A chaque instant, une onde gravitationnelle étire l'espace dans une direction en la comprimant dans la direction orthogonale. La relativité générale prédit deux directions possibles pour l'orientation de la déformation, ce que les physiciens nomment état de polarisation.

Sources gravitationnelles
Les systèmes binaires d'objets massifs et compacts (étoiles à neutrons ou trous noirs) orbitant étroitement l'un autour de l'autre émettent des ondes gravitationnelles à deux fois la fréquence orbitale. L'un d'eux a été découvert en 1974 par Russel Hulse et Joseph Taylor, de l'Université de Princeton. Ce système, nommé PSR B1913+16, est constitué de deux étoiles à neutrons, l'une d'entres elles étant un  pulsar (il émet des signaux radio réguliers dans notre direction) Chacune des étoiles a une masse approximativement égale à 1,4 fois la masse du Soleil. La période orbitale, qui est aujourd'hui de huit heures, décroît de 77 microsecondes par an (coalescence à 300 millions d'années). Tout comme le double pulsar PRS J0737-3039A/B, découvert en 2003, qui a une période orbitale de 2,45 heures et qui devrait fusionner dans 85 millions d'années.

Comprendre simplement Up Page
Interférométrie
Toutes les interféromètres sont inspirés de celui utilisé par Albert Michelson et Edward Morley en 1887. Leurs expériences ont rendu caduque l'hypothèse de l'"éther", ce milieu dont les physiciens du XIXe siècle avaient postulé l'existence pour expliquer la propagation de la lumière.

L'interféromètre original de Michelson (a) démultipliait le trajet parcouru par la lumière grâce à une série de miroirs. Ce n'est plus le cas dans les interféromètres modernes, tels VIRGO ou LIGO. Un tel instrument (b) est constitué de deux bras de plusieurs kilomètres de longueur où la lumière est piégée dans une cavité optique résonante créée par deux miroirs. Les photons parcourent le dispositif environ 50 fois.

Le bon fonctionnement nécessite de contrôler la distance entre les deux miroirs à la précision du nanomètre afin de constituer une cavité optique, maintenue dans un état proche de la résonance (de telle sorte qu'un multiple entier, grand et fixé, de la longueur d'onde de la lumière tienne entre les miroirs).







Interféromètres Virgo et Ligo
Les interféromètres Ligo (via des physiciens du Caltech et du MIT) et Virgo (CNRS-INFN) veulent tenter de mesurer l'infime déformation de l'espace-temps.
 
Ils sont situés respectivement à Livingston aux Etats-Unis et à Cascina, en Italie.

Ligo se présente comme une sorte d'équerre formée de deux bras de 4 km dans lesquels un laser mesure leur différence de longueur. Virgo, un appareil similaire conçu par une équipe franco-italienne, permettra comme son confrère américain de repérer toutes les accélérations d'astres massifs indétectables autrement: trous noirs, explosions d'étoiles massives ... et même l'écho du big bang.

Domaines de présence Up Page
A l'écoute des cieux
Les premières ondes gravitationnelles mesurées seront peut-être le fruit d'une source puissante, telle la coalescence de deux trous noirs en orbite. Les signaux d'un tel événement sont supposés présentés une oscillation initiale avec une amplitude croissante et une longueur d'onde décroissante pendant que les deux trous noirs se rapprochent l'un de l'autre en décrivant une spirale (a). Lors de la fusion, un motif chaotique d'ondes gravitationnelles pourrait être émis (b). Enfin, le trou noir résultant "tintera" en créant des ondes gravitationnelles dotées d'une ou plusieurs fréquences caractéristiques et s'amortissant avec le temps (c).


Phase d'exploitation de VIRGO
En 1918, dans un article ou Albert Einstein développait une des conséquences de sa théorie de la Relativité Générale, apparaît l'expression "Gravitationswellen" signifiant "ondes gravitationnelles". Décrites alors "mathématiquement", ces dernières, qui sont des déformations de l'espace-temps produites par des phénomènes astrophysiques violents dans notre galaxie et bien au-delà (explosions de supernovae, coalescence de deux corps compacts tels les trous noirs ou les étoiles à neutrons), n'ont jamais pu être observées directement jusqu'à ce jour. Seuls l'ont été les effets des émissions de ces ondes gravitationnelles, lors de l'observation d'un système de deux étoiles à neutron ce qui a valu à Joseph Taylor et Russel Hulse le prix Nobel de physique en 1993. D'où l'importance de l'interféromètre franco-italien VIRGO, le plus important en Europe, dont la première phase d'exploitation scientifique vient de commencer en juin 2007 à Cascina, en Italie.

Son interprétation dans l'avenir Up Page
Analyse des FRB
Le détecteur LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) comme son homologue européen Virgo constituent les instruments les plus précis jamais construits. Ils peuvent mesurer des ondulations dans l'espace temps se traduisant par des déplacement d'environ un atome entre les deux branches du détecteur.
Leur mise au point a résulté de recherches de plusieurs décennies dans les domaines des lasers, de la technologie du vide, de la séismologie et bien d'autres. De nouvelles mathématiques ont du être développées pour extraire le bruit d'un signal cosmologique noyé dans les multiples bruits provenant du détecteur et du milieu environnant. Des milliers de scientifiques et d'ingénieurs ont résolu tous les défis techniques et progressivement amélioré la sensibilité des détecteurs.

Le 11 février 2016, l'observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave observatory) a identifié, sans erreur possible semble-t-il, un signal précis indiquant le passage d'une onde gravitationnelle attribuée à la fusion de deux trous noirs. De telles ondes caractérisent l'effet produit dans l'espace-temps par les mouvements de corps massifs. Elles se propagent à la vitesse de la lumière. D'autres observations de ce type devraient être faites prochainement, soit par LIGO, soit par VIRGO, l'observatoire européen.

A la découverte d'un cosmos encore inconnu
Quelques jours à peine après que l'observatoire Ligo ait annoncé avoir détecté une émission d'ondes gravitationnelles pouvant être attribuée à la fusion de deux trous noirs, le Journal Nature annonçait qu'à l'autre bout du monde, un an auparavant, le radiotélescope australien Parkes avait reçu avec une grande précision ce que l'on nomme un "fast radio burst" (FRB). Il s'agit d'explosions d'ondes radios connues mais rarement observées jusque là, d'une violence considérable et dont l'origine et la raison restaient jusqu'alors mystérieuses.

Derrière ces signaux apparemment complémentaires à ceux que reçoivent en permanence des détecteurs d'ondes radio-électriques, ce serait une face jusqu'ici cachée du cosmos qui deviendrait accessible. Certains ont même parlé de la découverte d'un nouveau cosmos, se superposant à celui exploré jusqu'ici par les observatoires optiques et radios actuellement en service.

Les références Up Page
Réseau Pepe
Automates Intelligents n°136 mars 2016
BE France
Pour la Science octobre / décembre 2004 L'histoire de l'Univers n°45
La Recherche n°511 - mai 2016
Science & Vie janvier 2005 n°1048
Science & Vie n°1183 - avril 2016

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Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les trois pôles d'intérêts) c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous.

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Mais encore … Up Page
Perspective future
Ce FRB a été nommé FRB 150418. Or, étonnante coïncidence, il avait été observé un an auparavant, le 18 avril 2015. Les FRB sont très proches d'autres phénomènes eus aussi mal expliqués: les explosions de rayons gamma (GRB). Peut-être même correspondent-ils à deux versions d'un même phénomène. Leur observation, conduite récemment, a montré que leurs sources étaient elles-mêmes très éloigées en termes cosmologiques. Les GRB se présentent sous deux formes, de longue durée soit de quelques minutes, et de courte durée soit de quelques millisecondes. Eux aussi ont été attribués à la fusion de deux étoiles à neutrons. Ainsi comparer les FRB et les GRB devrait permettre de comparer l'origine de leurs sources.

Un autre point encore plus intéressant tient au fait que lorsqu'une onde radio voyage dans l'univers, elle traverse des quantités considérables de matière inobservable par les moyens classiques, les nuages de gaz et poussières intergalactiques. La matière noire, également invisible par les moyens actuels, représente 25% environ des masses totales de l'univers. Le reste est attribué pour 70% à l'hypothétique énergie noire, et seulement 5% à la matière ordinaire.

Gravité quantique
La plupart des théories de gravité quantique postulent l'existence d'un quantum ou particule élémentaire encore hypothétique appelé graviton. L'onde gravitationnelle est associée dans ce cas au graviton et ses caractéristiques donnent alors de précieuses informations sur cette particule et les phénomènes pouvant lui donner naissance.

Le résultat annoncé par Ligo permettrait donc non seulement de vérifier l'existence de l'espace- temps tel que prévu par la théorie de la relativité générale, mais la possibilité d'associer cet espace-temps à des entités microscopiques telles que celles décrits par la physique quantique. Autrement dit une vue unifiée de la physique de l'univers à toutes les échelles, ou de celle du multivers si l'on en retient l'hypothèse, pourrait ainsi voir le jour.