La théorie de la relativité générale d’Einstein, qui définit les principes de la physique moderne, est composée de plusieurs hypothèses dont celle sur les ondes gravitationnelles. Alors que la troisième hypothèse a été prouvée en 1919 par Eddington, la quatrième concernant les ondes gravitationnelles vient seulement d’être confirmée par la détection de ces dernières.

Dans sa troisième hypothèse, Einstein expliquait qu’il existe des objets célestes si massifs et compacts qu’ils peuvent courber l’espace-temps et retenir définitivement la lumière. Les astrophysiciens sont parvenus indirectement à prouver cette caractéristique des trous noirs ainsi que le fait qu’ils se forment lorsqu’une étoile massive s’effondre et explose.

L’impossibilité de détecter des ondes gravitationnelles et de la même manière de confirmer la quatrième hypothèse était jusqu’alors une faille dans la théorie d’Einstein.

Les ondes gravitationnelles sont émises lorsque n’importe quelle masse est en mouvement. Cependant pour être détectable il faut que la masse soit suffisamment importante. En 2015, des scientifiques sont finalement parvenus à détecter des ondes émises par la fusion de deux trous noirs. Cette découverte est venue confirmer l’existence des ondes gravitationnelles plus de 100 ans après leur théorisation.

 

Selon la relativité générale, une masse forme une courbure de l’espace-temps et lorsque cet objet est animé d’un mouvement, des ondes gravitationnelles sont émises. Elles transportent de l’énergie, du moment cinétique et de la quantité de mouvement. Les ondes gravitationnelles se comportent donc comme les ondes électromagnétiques. Une onde gravitationnelle déforme l’espace-temps ce qui implique qu’au passage d’une onde un corps va s’étirer dans le sens de la longueur et de la largeur.

 

Dans une galaxie située à plus d’un milliard d’années lumière de la Terre, il y a des millions d’années 2 trous noirs ont tourné l’un autour de l’autre avant d’entrer en collision et de fusionner. Les trous noirs mesuraient 200 km de diamètre mais avaient une masse 30 fois supérieure à celle du soleil. Lors de ce phénomène, appelé coalescence, une énergie équivalent à 3 fois la masse du soleil convertie en ondes gravitationnelles a été dégagée.

 

Ces ondes sont passées près de la terre en septembre 2015 et ont déplacé la trajectoire de la Terre de moins d’un millième de proton. Les scientifiques ont détecté les ondes grâce à deux interféromètres laser (LIGO) situés chacun à 3000 km d’écart (l’un en Louisiane et l’autre dans l’État de Washington). Le détecteur est un laser décomposé en 2 faisceaux qui parcours 4 km avant d’être réfléchis par un miroir pour enfin se rejoindre à nouveau. Théoriquement, les deux lasers devraient se superposer sur le point de départ puisqu’ils parcourent la même distance à la même vitesse. Cependant, en cas de perturbation du signal on voit apparaitre une “figure d’interférence”, les ondes gravitationnelles sont un type de perturbation. Les détecteurs captent ainsi les signaux de la Terre, d’origine terrestre et extraterrestre. Ainsi plus de 100 000 signaux domestiques ont été enregistrés de manière à pouvoir les distinguer des signaux extraterrestres. Le fait que le signal ait été détecté par les deux centres de recherche confirme sa nature extraterrestre et qu’il ne s’agit pas d’une erreur.

Figure d’interférence

La détection de ces ondes gravitationnelles nous permettra d’en apprendre plus sur les trous noirs qui sont le centre des galaxies. Plus généralement, cela élargit la connaissance humaine de l’univers. La détection de ces ondes a été annoncé le 11 février 2016 et les trois physiciens américains (Rainer Weiss, Barry C. Barish and Kip S. Thorne) en charge de la découverte ont été récompensé du Prix Nobel de physique 2017. Les astrophysiciens ont depuis commencé à construire un nouvel interféromètre laser à mettre en orbite de la Terre pour pouvoir capter davantage d’ondes.

 


Sources :

  • Marc LACHIÈZE-REY, « PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2017 », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 4 avril 2018. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/prix-nobel-de-physique-2017/
  • Bernard PIRE, « ONDES GRAVITATIONNELLES », Encyclopædia Universalis
  • David Larrousserie, «Premières ondes gravitationnelles détectées en Europe»,  Le Monde, 27/09/2017

Images

  • https://sciencetonnante.wordpress.com/2014/03/24/ondes-gravitationnelles-inflation/
  • https://www.skatelescope.org/news/ska-linked-telescopes-follow-up-on-gw/
  • https://i.imgur.com/eodQkST.gif
  • http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/optique/young/young.html

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