Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?
Une onde gravitationnelle est une ondulation de l’espace-temps qui voyage à la vitesse de la lumière. Albert Einstein les a prédites dès 1918 comme une conséquence de sa théorie de la Relativité Générale publiée en 1915. Après plus de cinquante années de défis expérimentaux pendant lesquelles les ondes gravitationnelles sont restées insaisissables, une première onde a finalement été détectée sur Terre le 14 septembre 2015, un siècle après leur prédiction.
Que sont ces mystérieuses ondes et pourquoi est-il si difficile de les détecter ? Comme leur nom le suggère, les ondes gravitationnelles sont des conséquences de la gravitation. Dans la Relativité Générale, la gravité est interprétée comme une conséquence de la forme de l’espace-temps. En fait, les équations d’Einstein disent que la présence d’un objet massif déforme l’espace-temps autour de lui. A deux dimensions, on peut imaginer l’espace-temps comme une toile en caoutchouc. Quand on met un objet dessus, la toile est déformée, et tout ce qui se déplace sur la toile suit cette courbure.
La même chose arrive avec l’espace-temps : une masse test passant près d’un corps massif va suivre la courbure de l’espace-temps autour de cet objet. Nous observons cet effet comme une force « attractive » que l’on appelle la gravité. La lumière voyage en ligne droite dans un espace-temps plat, mais elle suit le courbure de l’espace-temps autour d’un objet massif. Par conséquent, il semble que la lumière est elle aussi attirée vers le corps massif.
Ceci n’est pas facile à imaginer parce que nous vivons dans ce même espace-temps. Cependant, nous pouvons mesurer une telle courbure, par exemple en regardant la déviation de rayons lumineux en provenance d’étoiles lointaines mais qui se trouvent proches du soleil dans le ciel que nous voyons. Cette déflexion de la lumière émise par des étoiles situées derrière le soleil a été observée pour la première fois en 1919 pendant une éclipse de soleil, fournissant l’une des premières validations de la Relativité Générale.
Quels événements peuvent générer de telles perturbations dans le tissu de l’espace-temps ? En principe, toute masse en mouvement pourrait générer une onde gravitationnelle. On peut l’imaginer comme un « tremblement d’espace-temps ». Par exemple, ceci arrive quand deux trous noirs ou étoiles à neutrons orbitent rapidement l’un autour de l’autre, ou au moment de la naissance de l’univers, le Big Bang. Des étoiles à neutrons en rotation ou des explosions stellaires comme les supernovae pourraient aussi générer des ondes gravitationnelles, ainsi que d’autres phénomènes encore inconnus que les futurs détecteurs découvriront.
Parmi ces événements, seuls les plus puissants devraient émettre des ondes gravitationnelles suffisamment puissantes pour être détectables sur Terre. En fait, la gravité est un force extrêmement faible. Par conséquent, les effets des ondes gravitationnelles sont très petits et difficiles à détecter. Sur Terre, le passage d’une onde gravitationnelle va alternativement allonger et raccourcir la distance entre deux objets, et ceci de façon différente le long de deux directions perpendiculaires. Les détecteurs tels qu’Advanced Virgo vont voir les longueurs de leurs deux bras osciller, à la même fréquence que l’onde gravitationnelle qui passe à travers le détecteur. Cependant, cet effet est très petit. Par exemple, une onde gravitationnelle générée par la fusion de deux étoiles à neutrons dans un galaxie proche de la notre va modifier la distance Terre-Soleil (150 millions de km) de la taille d’un atome. La détection de telles minuscules variations de distance est un énorme défi, et c’est le but principal d’un instrument comme Virgo.
L’étude des ondes gravitationnelles va nous fournir des informations précieuses sur ces phénomènes extrêmes et nous aider à sonder les lois de la gravitation. Une première onde gravitationnelle, provenant de la coalescence de deux trous noirs, a été détectée en septembre 2015 par la collaboration LIGO-Virgo dans les données des deux détecteurs Advanced LIGO, ouvrant une nouvelle ère dans l’étude du cosmos.
