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Ils ont prouvé l'existence des ondes gravitationnelles et gagnent un prix Nobel

Publié le , mis à jour le 03/10/2017 À 12H26

Rainer Weiss,Barry C. Barish et Kip S. Thorne viennent d'être récompensés du prix Nobel de Physique. L'Académie royale des sciences de Suède leur décerne ce prix pour avoir prouvé l'existence des ondes gravitationnelles grâce ua détecteur Ligo. Einstein avait prédit leur existence il y a un siècle, et c’est le jeudi 11 février 2016 que la confirmation est tombée. A l’aide de ce gigantesque instrument, les chercheurs ont détecté le passage d’une onde gravitationnelle – une déformation de l’espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière. Un résultat majeur pour la physique, obtenu par des moyens technologiques exceptionnels.

Ils ont prouvé l'existence des ondes gravitationnelles et gagnent un prix Nobel
Le détecteur Ligo
© DR

Les entreprises citées

Les trois chercheurs Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne viennent d'être récompensés du prix Nobel de Physique. Ils sont récompensés pour "pour des contributions décisives au détecteur LIGO et l'observation des ondes gravitationnelles", indique l'Académie royale des sciences de Suède. 

C'est lors d'une conférence le jeudi 11 février 2016 à Washington, les chercheurs du Caltech et du MIT, entre autres, ont annoncé la détection des ondes gravitationnelles prédites par Albert Einstein en 1916, au terme d’une première campagne de mesures lancée en septembre 2015. 

Qu'est ce que les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles ? Des déformations de l’espace-temps- des ondulations, des rides- qui se propagent  à la vitesse de la lumière. Pour avoir une chance de les observer, les physiciens se concentrent sur des phénomènes cosmiques spectaculaires et lointains, tels que l’explosion d’une supernova ou la fusion de deux trous noirs. Quelques dizaines ou centaines de millions d’années-lumière plus loin, sur Terre, les déformations de l’espace-temps créées par ces événements pourraient provoquer des distorsions sur des objets de l’ordre de … un milliardième du diamètre d’un atome (10^-19 mètre) !

Comment détecter ces ondes ? 

Pour détecter ça, on comprend qu’il a fallu attendre de disposer des technologies adéquates (le premier essai de détecteur date de 1958). Ces technologies sont aujourd’hui réunies dans un instrument de mesure gigantesque, Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), qui prend la forme de deux lignes de 4 km à angle droit – elles forment un "L"- dans lesquelles se propagent un faisceau laser. Les deux faisceaux, guidés par des miroirs, interfèrent à leur point de rencontre, et le résultat, une figure d’interférence, est sensible aux variations de longueur de chaque bras. Assez sensible pour détecter les fameux 10^-19 mètre que l’on veut observer…

Ligo, ce sont en fait deux instruments de ce type, l’un dans l’Etat de Washington, l’autre en Louisiane. Ils fonctionnent ensemble pour mieux détecter les ondes et leurs infimes conséquences. Ligo sera bientôt rejoint dans sa quête par Virgo, un "L" du même type, installé par les européens en Italie. Virgo termine en ce moment sa phase d’"upgrade" pour multiplier par dix sa sensibilité (son collègue américain a fait de même avec un peu d’avance).

Ligo et Virgo ne sont en fait que la réplique à grande échelle d’instruments de laboratoire qui tiennent sur une table : des interféromètres. Mais leur taille, et l’objectif visé, ont imposé de recourir à des technologies hors normes.

Les défis technologiques de la preuve

La principale contrainte est d’isoler l’instrument de la moindre vibration qui masquerait l’effet de l’onde gravitationnelle. Un système d’amortissement actif mesure les vibrations dans le sol, et crée des contre-vibrations pour les éliminer – à la manière d’un casque anti-bruit. Et pour absorber ce qu'il reste de perturbations, les miroirs sont suspendus au bout d’un système de pendules à quatre étages. Chaque miroir en silice pure pèse 40 kilos, et est poli avec une précision de quelques atomes.

L’autre système critique pour faire fonctionner Ligo, ce sont les pompes qui vident de tous gaz les tuyaux dans lesquels se propagent les faisceaux laser. Il a fallu 40 jours de pompage pour vider à fond les 10.000 mètres cubes de chaque ligne laser. Pour leur version "upgradée", Ligo,  et bientôt Virgo, ont amélioré l’instrument en jouant à la fois sur l’efficacité de l’amortissement des vibrations, la qualité du vide, et la précision des miroirs. Il fallait ça pour confirmer les calculs d’Einstein… Mais avec cette nouvelle fenêtre ouverte sur l’Univers, tout commence : avec bientôt le détecteur Virgo en Europe, puis d’autres prévus au Japon et en Inde, les chercheurs disposeront d’un réseau de détecteurs pour se mettre à l’écoute de cosmos d’une manière totalement inédite.

Thierry Lucas

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