(Mediapart) 

L'équipe internationale de l'observatoire Ligo, aux États-Unis, vient d'annoncer une deuxième détection d'ondes gravitationnelles, dont la découverte avait été révélée pour la première fois en février dernier. Cette nouvelle observation confirme la validité de la théorie de la relativité générale et l'existence des trous noirs.

La plus grande découverte récente de la physique – l’observation des ondes gravitationnelles – vient d’être confirmée : pour la deuxième fois, ces infimes déformations de l’espace-temps prédites par Albert Einstein en 1916 ont été détectées, vient d’annoncer l’équipe de l’observatoire Ligo, lors d’un congrès d’astronomie à San Diego, en Californie.

Représentation de la collision de deux trous noirs. © LIGO

Ligo (Laser interferometer gravitational-wave observatory) est constitué de deux machines géantes identiques, l’une installée en Louisiane et l’autre dans l’est de l’État de Washington. C’est cet instrument qui a pour la première fois capté un signal d’ondes gravitationnelles, événement annoncé le 11 février par David Reitze, directeur exécutif de l’observatoire Ligo (lire notre article).

Ce premier signal, provoqué par la collision de deux trous noirs géants situés à plus d’un milliard d’années-lumière de la Terre, avait été capté par Ligo le 14 septembre 2015. La découverte a été révélée six mois plus tard, le temps nécessaire pour vérifier qu’il ne s’agissait pas d’une erreur ou d’un artefact. Le deuxième signal a été capté le 26 décembre 2015. L’un des physiciens les premiers informés, Chad Hanna, a d’abord cru à une fausse alerte : « Je n’aurais pas pensé que l’univers avait l’humour d’envoyer un vrai signal pour Noël », plaisante-t-il, interrogé dans la revue britannique Nature.

L’équipe Ligo a ménagé le suspense, et pris le temps d’analyser en détail le deuxième signal. Conclusion : il s’agit bien d’un événement authentique, dû comme le premier à une collision de trous noirs. C’est donc une deuxième confirmation de la prédiction issue de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Selon cette théorie, la gravitation n’est pas une force, c’est une déformation de l’espace-temps qui se produit autour des objets massifs. Ainsi, la Terre est attirée par le Soleil parce que ce dernier courbe l’espace-temps autour de lui.

L’existence des ondes gravitationnelles est une conséquence de cette théorie. Einstein se pose la question : que se passerait-il si l’on pouvait secouer un objet de grande masse ? Qu’adviendrait-il de la déformation de l’espace-temps ? Serait-elle secouée elle aussi ? En juin 1916, le physicien publie sa réponse : l’espace-temps se mettrait à onduler, produisant une onde gravitationnelle qui se déplacerait à la vitesse de la lumière, en s’éloignant de l’objet massif qui a subi la secousse.

 En convertissant les ondes gravitationnelles en sons, on peut "entendre" les collisions de trous noirs © LIGO

Einstein a aussi calculé que l’effet d’une telle onde serait très ténu, et sans doute très difficile sinon impossible à déceler. De fait, il a fallu un siècle et un milliard de dollars pour construire une machine capable d’observer le phénomène. Chacun des deux détecteurs jumeaux qui forment l’observatoire Ligo est constitué de deux bras perpendiculaires, en L, longs de 4 kilomètres chacun. Si une onde gravitationnelle touche un détecteur, du fait de la déformation spatio-temporelle qu’elle produit, l’un des bras devient un tout petit peu plus long que l’autre.

Cette infime différence peut être mesurée en utilisant des faisceaux laser. Mais elle est si minuscule que, pour éliminer tout faux signal dû à un artefact, on utilise deux détecteurs identiques installés en deux sites distants (en l’occurrence Hanford, dans l’État de Washington et, à 3 000 kilomètres, Livingston, en Louisiane). Si les deux détecteurs voient la même perturbation, avec un écart de temps correspondant exactement au temps de parcours de l’onde gravitationnelle entre les deux sites, c’est que le signal est vraiment dû à une onde gravitationnelle.

Le fait que l’observation ait été confirmée à quelques mois de distance conforte la découverte initiale. Cela suggère que de telles collisions de trous noirs sont plus fréquentes qu’on ne le pensait. Le premier signal résultait, d’après les calculs, d’une rencontre entre deux énormes trous noirs ayant respectivement 29 et 36 fois la masse du soleil, ce qui a intrigué les astrophysiciens, car ils ne s’attendaient pas à découvrir de tels monstres dans le bestiaire cosmique.

Le deuxième événement a été moins violent, les deux trous noirs impliqués étant « seulement » 8 et 14 fois plus massifs que le soleil. Mais le signal résultant a été nettement plus long, durant une seconde entière, contre deux dixièmes de secondes pour le premier. Cela a permis un test deux fois plus précis de la théorie d’Einstein.

En revanche, le grand physicien s’est trompé sur un point : il ne croyait pas aux trous noirs, qui lui semblaient des objets trop farfelus pour exister dans la nature. Non seulement les observations de Ligo ont prouvé que les trous noirs faisaient bel et bien partie de la réalité physique, mais elles montrent que leurs collisions ne sont pas des événements exceptionnels.

Stephen Fairhurst, membre de l’équipe Ligo et physicien à l’université de Cardiff (Royaume-Uni), estime dans la revue Science que lorsque les détecteurs auront atteint leur sensibilité maximale, ils pourront observer une fusion de trous noirs par jour. Pour cela, il va falloir éliminer un « bruit mystérieux » qui affecte la machine aux basses fréquences, ce qui la rendra deux fois et demie plus sensible qu’aujourd’hui.

Avec cette sensibilité accrue, Ligo devrait recueillir un échantillon d’événements suffisant pour élucider le mécanisme précis des collisions entre trous noirs. Un tel phénomène résulte-t-il du rapprochement de deux étoiles qui tournent l’une autour de l’autre et deviennent à la fin des trous noirs ? Ou bien a-t-on affaire à deux trous noirs qui se forment séparément l’un de l’autre et se rencontrent ensuite ?

Ligo pourrait apporter la réponse d’ici quelques années, la machine devant avoir acquis sa sensibilité optimale d’ici 2019, selon l’estimation de David Reitze. Les astrophysiciens veulent aussi comprendre ce qui explique la présence de trous noirs beaucoup plus massifs que ce que les données précédentes laissaient supposer. Et ils espèrent que Ligo va détecter d’autres types d’événements cosmiques que les collisions de trous noirs, en particulier des fusions d’étoiles à neutrons qui permettraient de mieux connaître ces objets bizarres.

Ligo a été mis en service au début des années 2000 mais, pendant ses huit premières années de fonctionnement, il n’a détecté aucune onde gravitationnelle. Il a ensuite été arrêté de 2010 à 2015 afin de recevoir un certain nombre de perfectionnements qui ont augmenté ses performances. La machine améliorée a démarré en septembre 2015 et a fait deux observations majeures en quelques mois, quand la première version n’avait rien détecté en huit ans.

De nouvelles améliorations doivent être apportées, et Ligo fera sa prochaine moisson de données à l’automne 2016. On peut s’attendre à l’annonce de nouvelles découvertes d’ici le début 2017.