Zoom sur les détecteurs qui ont permis la découverte des ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles ont été pour la première fois détectées par les instruments de plusieurs kilomètres de long. Une prouesse technologique qui ne fait que commencer, car d'autres détecteurs devraient entrer en fonctionnement dans les prochaines années, sur le terre et dans l'espace.

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Zoom sur les détecteurs qui ont permis la découverte des ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles détectées ont été émises lors de la fusion de deux trous noirs.

Cela fait un siècle exactement qu’elles ont été "découvertes" par Albert Einstein lui-même, mais seulement en théorie. Elles ont a présent été "vues" directement par l'homme, qui ne peut plus nier l'existence de ces ondes plus que discrètes : les ondes gravitationnelles. Leur observation a été confirmée officiellement jeudi 11 février à 16h30. En très synthétique, Einstein pose que l’espace-temps, dans certaines conditions, est perturbé. Et cette perturbation, selon ses calculs, obéit à une équation de propagation tout à fait similaire à celle des ondes électromagnétiques dans le vide. Les conséquences ? Ces ondes "gravitationnelles" qui avancent à la vitesse de la lumière, ont la propriété de déformer l’espace au point de raccourcir ou dilater les distances. Quant à la cause de la perturbation, ce sont des objets extrêmement lourds et en mouvement rapide, proches de la vitesse de la lumière, qui peuvent parvenir à créer de telles ondes. Pour cette première observation, il s’agit de deux trous noirs respectivement d’environ 29 et 36 fois la masse du soleil qui ont fusionné en un trou noir unique. Le prix Nobel de physique en 1993 attribué à Russell Alan Hulse et Joseph Hooton Taylor, avait consacré la confirmation indirecte de l'existence des ondes gravitationnelles. Mais encore s’agissait-il pour les scientifiques de détecter les ondes elles-mêmes, directement. C’est maintenant chose faite ! Cerise sur le gâteau, c’est aussi la première fois qu’une telle fusion de trous noirs est observée.

Les ondes gravitationnelles ont été mise en valeur par les deux détecteurs américains de la collaboration Ligo situé à Hanford (Etat de Washington) et Livingston (Etats-Unis). Ces détecteurs sont constitués de deux tunnels de 4 kilomètres de long chacun, dans lesquels circulent des faisceaux lasers parfaitement synchronisés entre eux à l’entrée. Si rien ne vient les perturber, en sortie, ils restent en phase, mais si une onde gravitationnelle parvient jusqu’à la Terre et la déforme sur son passage, alors un bras peut s’allonger tandis que l’autre rétrécit, et la synchronisation sera perdue. Dans le cas présent, les déformations de l’espace-temps détectées par les interféromètres à laser étaient 1 milliard de fois plus petit que la taille d’un atome !

Accédez à des précisions sur la découverte et le fonctionnement des interféromètres à laser de Michelson géants qui ont permis la détection des ondes gravitationnelles dans cette vidéo.

Ondes gravitationnelles : les détecteurs de l... par CNRS

La suite : des expériences au sol … et dans l’espace

Les deux détecteurs américains appartiennent à une collaboration réunissant quatre détecteurs interférométriques géants, 2 aux Etats-Unis (Ligo), 1 en Italie (Virgo), et 1 en Allemagne (GEO), fonctionnant comme une expérience unique, même si les deux instruments américains seulement étaient en fonctionnement lors de la découverte elle-même. Selon les scientifiques, on peut s'attendre à quelques dizaines de détections par an lorsque Advanced Virgo, amélioration de Virgo grâce à laquelle il sera dix fois plus sensible, travaillera de concert avec les détecteurs américains, qui bénéficient déjà de ces optimisations. Advanced Virgo entrera en fonctionnement à l'automne 2016. Ce réseau va s’étendre dans la prochaine décennie avec Kagra au Japon et un 3e Ligo en Inde. Situé dans l'hémisphère sud, celui-ci permettra d'élargir la précision de localisation de la source, alors que les autres détecteurs sont tous situés dans le même plan. La mise en commun des observations permet de réduire significativement les signaux parasites et de déterminer plus précisément la position de la source dans le ciel. Par la suite, un réseau d’instruments de plus en plus grands permettra l’avènement d’une nouvelle astronomie qui scrutera les objets astrophysiques grâce aux ondes gravitationnelles.

Une mission de l’ESA, Lisa Pathfinder (image d'artiste à gauche), a pour objet de tester d’autres techniques d’observation des ondes gravitationnelles, dans l’espace ! Elle prélude à la mission eLisa, prévue pour la décennie 2030. Elle repose essentiellement sur une paire de cubes en or-platine identiques, de 46 mm de côté et espacés de 38 cm, qui seront à l’abri de toutes les forces externes et internes susceptibles de s’exercer sur eux, à l’exception d’une seule : la gravité. La mission consiste à faire subir à ces cubes la chute libre la plus pure jamais provoquée dans l’espace et à suivre leur position relative avec un degré de précision extrême. Un système complexe de rayons laser rebondissant d’un cube à l’autre permettra de mesurer l’écart entre les mouvements des cubes et ceux d’une véritable chute libre avec une précision d’un milliardième de millimètre, ce qui n’a encore jamais été réalisé dans l’espace. Lisa Pathfinder a décollé le 3 décembre 2015 pour atteindre son orbite opérationnelle située à quelque 1,5 million de kilomètres d’ici mi-février 2016. La mission scientifique du satellite débutera le 1er mars et durera six mois. Elle posera ainsi les jalons de l’observation des ondes gravitationnelles dans l’espace. Celle-ci ne rentre pas en concurrence avec l’observation au sol mais la complète puisqu’elle observera les ondes gravitationnelles dans une autre partie de leur spectre (les fréquences plus basses).

Enfin, un détecteur au sol de troisième génération est en outre à l’étude : l’Einstein Telescope. Il pourra observer un volume d’Univers 1 000 fois plus grand qu’Advanced Virgo, grâce à des installations souterraines d’au moins dix kilomètres de long.

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