La première onde gravitationnelle a été
découverte (voir La découverte de l'onde G - GW150914)
Quelles
surprises derrière cette découverte ?
Quelles
conséquences astrophysiques ?
En dehors de la confirmation d’une des prédictions essentielles de la
théoie de la Relativité Générale (RG), il s’agit aussi de la découverte
d’une nouvelle classe d’astres :
des trous noirs de masses intermédiaires.
Nous ne connaissions à ce jour aucun trou noir d’une masse de plusieurs
dizaines de fois la masse du Soleil et on ne sait pas comment les
former.
Il n’était connu jusqu’ici que des trous noirs « stellaires » (quelques
masses solaires) provenant de l’implosion d’une étoile
massive ou des trous noirs super-massifs (plus d’un million de
masses
solaires) au centre de certaines galaxies, dont l’origine exacte reste
une question ouverte.
Une vingtaine de trous noirs « stellaires », tous situés dans notre
galaxie, ont des masses mesurées entre 5 et 10 masses solaires.
Seuls deux autres trous noirs (IC10 X-1 et NGC300 X-1) situés dans des
galaxies extérieures, ont des masses suggérées entre 10 et 30 masses
solaires. Aucun n’était jusqu’à aujourd’hui connu dans la gamme
supérieure à 30 masses solaires.
Combien
de
trous noirs dans l’Univers ?
Une des grandes avancées de la découverte des ondes G est de permettre
la détection directe d’une matière « noire » c’est à dire qui
n’émet pas de rayonnement électromagnétique. Les trous noirs de
masses intermédiaires peuvent-ils constituer une fraction
importante de cette matière noire ? La réponse à cette question dépend
de la fréquence des évènements comme GW150914.
Un des scénarios possibles de la formation de trous noirs de masses
intermédiaires est celui des explosions de supernova avortées. Dans
certains cas, l’implosion ou effondrement d’une étoile massive à la fin
de sa vie ne conduit pas à une explosion de supernova, c’est à dire à
l’éjection dans l’espace de la matière de l’étoile, mais à
l’effondrement complet de l’étoile. Jusqu’ici l’absence de trous noirs
de masses intermédiaires avait conduit à considéré ce scénario
comme peu fréquent.
Si le nombre d’ondes G comme GW150914 s’avère élevé, la population de
trous noirs pourrait être très importante. On peut s’interroger en
particulier sur le sort des premières étoiles de l’Univers,
appelées aussi Pop III (pour étoiles de Population III).
Cette hypothétique population d’étoiles (aucune n’a été trouvée à ce
jour) serait constituée d’étoiles très massives (environ 100 mases
solaires) formées en grande quantité au début de l’univers. Après une
durée de vie très courte, elles pourraient potentiellement avoir donner
naissance à des trous noirs. Dans ce cas, il pourrait exister un très
grand nombre de trous noirs de masse intermédiaire.
Ce qu’il
est
faux de dire et qui est souvent dit
« Les ondes G
viennent des confins de l’univers »
Non, ici la source potentielle est située dans l’Univers local à une
distance d’environ un milliard d’années-lumière (correspondant à
un décalage vers le rouge de 0 ,09).
L’onde G (GW 150914) ne doit pas être confondue avec les ondes G
primordiales – produites dans les premières fraction de seconde
de l’expansion de l’univers – dont la découverte rapportée par
l’existence Bicep-2 en 2014 a depuis été clairement démentie
(http://arxiv.org/abs/1502.00612).
« Avant on voyait
l’Univers, maintenant on peut l’entendre »
Expression au minimum maladroite et certainement très ambigüe
Le son ne peut se propager que dans un lieu matériel et non dans le
vide cosmique.
Tout phénomène périodique peut être bien sûr « traduit » en sons, c’est
à dire que l’on peut imposer à un milieu matériel (par exemple
l’air) une variation temporelle identique. Mais, cette « traduction
sonore » n’est donc pas le propre des ondes G. On peut ainsi de la même
façon « entendre » la rotation des pulsars ou les oscillations solaires.
L’état de la
physique après la découverte des ondes G
La
Relativité générale (RG) est-elle une théorie finie ?
Avec la détection des ondes G, une des dernières grandes prédictions de
la RG a été vérifiée et pour une des premières fois dans le cas de
champs de gravitatin forts. Mais pourtant cette description de la
gravitation
ne répond pas aux questions posées par la physique théorique
contemporaine.
Ondes ou
particules
: ondes G ou gravitons ?
Entre Relativité générale et mécanique quantique le fossé
s’élargit.
Depuis l’irruption de la mécanique quantique dans les années 1930, la
physique vit un dilemme absolu. D’un coté la gravitation est
décrite par la RG dans le cadre d’une physique classique comme un effet
« géométrique », une déformation de l’espace-temps. De l’autre, les 3
autres interactions fondamentales (électromagnétique, interactions
faible et
forte) sont elles décrites comme des interactions quantiques portés par
des particules messagères. Ces 3 autres interactions peuvent unifiées
dans le cadre du
formalisme quantique mais pas la gravitation.
Dans la théorie de la RG, l’onde G propage le message de la gravitation
comme le photon est le messager de la lumière.
Dans le cadre d’une théorie quantique de la gravitation, c’est
l’hypothétique « graviton » qui transporte l’information
gravitationnelle.
Alors onde ou particule, quelle est donc la bonne description ?
La découverte des ondes G confirme que
la Relativité opère bien comme une théorie « ondulatoire ». Comme il
semble naturel d’imaginer une unification globale possible des
4 interactions, une description complémentaire de type « corpusculaire
»
semble également indispensable. Dans le cas de la lumière et la
matière, les deux types de descriptions sont
effectivement « superposées » selon le type de phénomène observé. Il
pourrait donc en être de même pour la gravitation. Deux
descriptions très différentes seraient alors indispensables pour
décrire l'ensemble des phénomènes observés aussi dans le domaine de la
gravitation.
Une limite sur la
masse du graviton
Si le graviton existe et qu’il a une masse non nulle alors il peut
subir une faible interaction avec le milieu cosmique. Dans ce cas, les
caractéristiques de l’onde G pourraient être légèrement
modifiées. La comparaison dans le cas du signal GW 150914 a fourni
une limite supérieure à la masse du graviton : au maximum 2 10-55 g
Impact médiatique
Poincaré-Einstein
Contrairement à ce qui est souvent dit, le premier à évoquer les ondes
gravitationnelles n’a pas été Albert Einstein mais Henri Poincaré. Dans
un article de 1905, Henri Poincaré emploie alors le terme de « ondes
gravifiques », suggérant que la gravitation ne se propage pas de façon
instantanée.
http://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Poincare/Poincare_pdf/Poincare_CR1905.pdf
Les questions d’antériorité entre Einstein et Poincaré font l’objet
d’un vaste débat (voir par exemple Thibault d’Amour
(http://arxiv.org/abs/hep-th/0501168).
Publication ouverte
L’article principal de la collaboration LIGO-Virgo est signé par plus
de 1000 auteurs de plus de 100 laboratoires dans 15 pays différents. Il
n’a pas été soumis à une revue commerciale, mais il est paru en accès
libre dans la revue Physical Review Letters, éditée par la Société
Américaine de Physique sous la licence Creative Commons.
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102
Prix Nobel
La découverte des ondes gravitationnelles est promise au Prix Nobel.
L’un des récipiendaires sera très prpobablement Kip Thorne,
co-fondateur du projet LIGO et un des auteurs de l’ouvrage «
Gravitation » paru en 1973 et considéré comme la bible de la gravitation
https://fr.wikipedia.org/wiki/Gravitation_%28livre%29
La découverte des ondes G a fait l'objet d'une remarquable conférence
de presse organisée par la National Science Fondation (NSF) à
Washington (USA) à laquelle KipThorne participait. Cette conférence de
presse était retransmise en direct sur la chaine Youtube. Elle a été
visionnée en direct par un total de 80 000 participants. Par
comparaison, sortis à la même date, le clip de la chanteuse Christine and the Queens totalisait plus de 2 millions de vue et le clip intitulé "Draguer une fille" plus de 500 000 vues.
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La découverte de l'onde
G - GW150914 -
Qu’a-t-on
découvert ?
Le 14
septembre 2015, à 9h51 Temps Universel, deux détecteurs indépendants
ont enregistré un signal gravitationnel cosmique compatible avec le
passage d’une onde gravitationnelle - ou onde G - telle que décrite par
la théorie de la Relativité générale. Cet événement a été baptisé
GW150914 (pour Gravitational Wave du 14 Sept 2015).
Où le signal
a-t-il été détecté ?
Le signal
GW150914 a été mesuré par les détecteurs du projet LIGO (Laser
Interferometer Gravitational-wave Observatory), constitué de deux
installations identiques situées à 3000 km de distance, l’une à
Livingston (Etat de Louisiane), l’autre à Hanford, (Etat de Washington)
aux USA.
Que mesure-t-on ?
La distance relative entre des couples de miroirs séparés par 4
kilomètres de distance et disposés selon 2 directions perpendiculaires.
Qu’a-t-on détecté ?
Une très faible variation de la distance des miroirs considérés comme
deux masses test. L’amplitude de la variation relative de distance est
de 10-21, ce qui correspond pour 4km à une variation de 4 10-18m, soit
250 fois plus faible que la taille d’un noyau d’hydrogène, le proton.
Quelles
sont
les caractéristiques du signal ?
Cette variation de la distance entre les miroirs est constituée d’une
succession périodique de courte diminution et augmentation de la
distance sur une durée totale d’environ 0,2 seconde. Un signal
identique a été enregistré d’abord à Livingston, puis 7 millisecondes
plus tard à Handford.
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| La forme du signal
GW150914 enregistré dans les deux installations de Handford et
Livingston : variation relative de distance en fonction du temps (©LIGO)
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Quelle est
la
source de ce signal ?
Selon les équations de la Relativité générale, la forme et l’amplitude
de ce signal sont bien reproduites par le mouvement en orbite
très proche de deux trous noirs, suivi d’une fusion (coalescence) de
ces deux trous noirs. Les deux trous noirs sont de masse assez
similaire, l’un de 36 fois la masse du Soleil (Mo), l’autre de 29 Mo.
Le trou noir résultant de la fusion a une masse de 62 Mo.
Quelle a été
l’énergie rayonnée ?
La différence de masse entre la somme des deux trous noirs initiaux (65
Mo) et le trou noir résultant (62 Mo) correspond à l’énergie rayonnée,
calculée selon la formule E=mc2. Cette énergie est de 5,4 1047
Joule
rayonnée en une fraction de seconde. C’est près de 500 fois l’énergie
rayonnée par la plus puissante des supernovae en plusieurs mois et
autant d'énergie que celle produite par toutes les étoiles de l'Univers
pendant la même fraction de seconde.
Pourquoi 2 trous
noirs ?
L’amplitude et la fréquence observées ne peuvent être produites que par
des masses de plusieurs dizaines de fois celle du Soleil,
séparées par seulement 350 km environ. La masse des objets est
supérieure à la masse maximale admise pour les étoiles les plus denses
connues (étoiles à neutrons). Une telle masse et dimension ne peuvent
correspondre qu’à des trous noirs.
A
quelle
distance, l’évènement s’est-il produit ?
Selon les équations de la Relativité générale, l‘amplitude de l’onde G
diminue proportionnellement à la distance à la source. En comparant l’amplitude produite à la source par la
fusion des 2 trous noirs à celle observée, la distance calculée est
entre 0,7 et 1,8 milliards d’années-lumière avec une valeur
moyenne de 1,3 milliards d’années-lumière.
Où s’est
produit
l’événement ?
On l’ignore encore. Pour déterminer exactement la source d’une onde G
en trois dimensions par triangulation, le même signal doit etre
enregistré au moins en 3 endroits différents. La détection d’un signal
par deux installations seulement
ne permet que de délimiter une très vaste région d’environ 600 degrés
carrés – soit 1% du ciel complet ou 2400 fois la surface du
disque solaire – située dans l’hémisphère Sud, proche du Nuage de
Magellan.
Dans le futur, la remise en service prochaine d’une 3e installation,
l’instrument européen VIRGO en Italie fin 2016 devrait permettre de
localiser l’origine des ondes G avec une précision pouvant atteindre 1
degré.
Région du ciel où
l’onde G (GW 150914) a été localisée
Est-on
sûr
qu’il s’agit d’une onde G ?
La détection d’un signal strictement identique dans 2 installations
indépendantes permet d’exclure une origine instrumentale, liée au
dispositif de mesure. Mais cette coïncidence n’est pas une preuve
absolue. Comme pour le tirage du Loto, même si la probabilité de
trouver les 6 bons numéros par chance ou hasard est faible, il y a bien
des gagnants. Il existe également une probabilité qu’un événement
fortuit (par exemple, une vibration parasite d’origine terrestre)
puisse produire un signal analogue.
Ici, les chercheurs ont calculé avec une grande rigueur, qu’un tel
évènement pouvait se produire « de façon purement fortuite » dans leur
installation environ 1 fois tous les 200 000 ans, ce qui équivaut à une
probabilité de 1 pour 5 millions.
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