Nous “voyons” enfin la gravité !

Il s’agit sans doute de l’une des plus grandes découvertes de l’Histoire de la physique. Il nous aura fallu cent ans pour y arriver, mais nous sommes enfin parvenus à “voir” la gravité qu’Einstein avait établie en 1915 ! Et pour comprendre pourquoi j’insiste sur le mot “voir”, il me faut revenir un petit peu en arrière.

L’oeil et les lunettes astronomiques voient l’électromagnétisme

Cinquante ans avant Einstein, en 1862, un autre physicien écossais appelé James Clerk Maxwell avait enfin compris ce que nos yeux “voient”, à savoir la lumière. Et à sa plus grande surprise, tout découlait de son analyse mathématique de l’électricité de la foudre et du magnétisme des boussoles. En premier lieu, Maxwell réussit à unifier ces deux forces de la Nature en une seule force, que l’on appelle aujourd’hui l’électromagnétisme. L’électromagnétisme, c’est ce qui régit notre quotidien.
C’est la raison pour laquelle on arrive à se lever de nos lits le matin, et le jus d’orange reste dans notre corps quand on le boit. Sans électromagnétisme, nos muscles ne pourraient pas se contracter pour nous aider à tenir debout, et le jus d’orange traverserait notre corps, car, comme tout objet matériel, notre corps est constitué quasiment uniquement de vide…

La théorie de Maxwell prédit aussi que des mouvements de particules chargées modifient les forces électriques et magnétiques autour des particules, et que ces perturbations se propagent dans l’espace et le temps. La propagation de ces perturbations est ce que l’on appelle des “ondes électromagnétiques”.
Mais le plus surprenant, c’est peut-être que Maxwell découvre que ces ondes électromagnétiques se propagent à la même vitesse de la lumière. Coïncidence ? Pas pour Maxwell. Cette coïncidence cosmique amena Maxwell à suggérer que la lumière était ces ondes électromagnétiques. Autrement dit, ce que nos yeux voient, c’est l’électromagnétisme !

Mais nos yeux ne voient pas toutes les ondes électromagnétiques. Ils ne voient que les ondes électromagnétiques dites “visibles”. Il existe en fait tout un tas d’autres ondes électromagnétiques invisibles pour l’œil, comme les ondes radios, micro-ondes, infrarouges, ultraviolets, rayons X ou encore rayons gamma. Et oui, tout ça, c’est de la lumière aussi ! Et on peut les “voir” avec autre chose que l’œil, comme avec des lunettes astronomiques. Voici ci-dessous des images de notre Terre vue avec des ondes électromagnétiques “invisibles pour l’œil*”.

* Pour en faire des images visibles pour l’oeil, on a dû recolorer l’image en fonction de ce que les lunettes ont “vu” pour d’autres ondes électromagnétiques. Dans l’ordre, en commençant par la première ligne, ces images sont en infrarouge, visible, ultraviolet, ultraviolet-extrême, rayons X, et rayons Gamma.

Et LIGO ouvrit ses “yeux” !

Revenons donc à Einstein. En 1915, Einstein écrit les équations de la théorie de la relativité générale. Il s’agit d’une théorie de l’espace, du temps et, surtout, de la gravité.
En fait, pour Einstein, et comme on l’a vu précédemment, la gravité n’est pas une force de la Nature comme l’électromagnétisme de Maxwell.
La gravité est en fait la géométrie de l’espace-temps. Les détails sont compliqués (c’est une géométrie “courbe” de dimension 4…) et je ne vais pas en parler ici.
En ce qui nous concerne, ce qui compte, c’est que, là encore, la théorie d’Einstein prédit que des mouvements d’objets massifs créent des ondes gravitationnelles. Ces ondes gravitationnelles propagent la géométrie de l’espace-temps, comme les ondes électromagnétiques propagent les forces électriques et magnétiques.

En particulier, pour “voir” ces ondes gravitationnelles, il “suffit” d’étudier la géométrie d’un objet au cours du temps. Par exemple, si la Terre est frappée par une grosse onde gravitationnelle, notre alien préféré devrait alors maigrir et grandir, puis grossir et rétrécir, puis à nouveau maigrir et grandir, et ainsi de suite. Et tout ça, non pas parce qu’une force agit sur l’alien, mais parce que la géométrie de l’espace qui contient l’alien se déforme sous l’effet de l’onde gravitationnelle.

Alors, là, si vous avez bien suivi, vous devriez me dire : mais ça m’arrive vraiment à moi, ça ? Est-ce vrai que je grossis et maigris lorsqu’une onde gravitationnelle atteint la Terre ?

La réponse est oui. Mais les variations de la taille et de la grosseur de l’alien ci-dessus ont été très, très, très exagérées. En pratique, même pour de très grosses ondes gravitationnelles, tu ne grossiras jamais de plus que d’un millionième de la largeur d’un noyau d’atome ! Donc si t’as grossi, ce n’est absolument pas la faute à Einstein…

Mais du coup, si l’effet géométrique de l’onde gravitationnelle est si petit, comment peut-on le voir ? Et bien, il faut beaucoup d’ingénierie de très, très haut niveau, beaucoup, beaucoup d’argent, et une technologie qui s’appelle l’interféromètre de Michelson qui repose sur des lasers. Malgré tout ceci, pendant plus de dix ans, des installations monumentales appelées LIGO et Virgo n’y voyaient rien…

Rien ? Oui… Jusqu’à très récemment. Suite à une rénovation de trois ans, en septembre 2015, LIGO a enfin suffisamment ouvert les yeux pour y voir quelque chose. Et après plein de tests pour s’assurer qu’il n’avait pas halluciné, les chercheurs l’ont annoncé publiquement : pour la première fois de l’Histoire de l’humanité, LIGO a vu la gravité !

Qu’a-t-on vu par ondes gravitationnelles ?

Mais pour moi, le plus fou dans cette histoire, c’est que l’on a une très bonne idée de ce que LIGO a vu, et que ce qu’il a vu est juste spectaculaire. LIGO a assisté à la fusion de deux trous noirs. Et quand on se dit qu’un trou noir n’est pas “visible” par ondes électromagnétiques… Et bien, on peut dire que l’on a “vu” des trous noirs de la seule manière dont ils sont “visibles” !

Plus exactement, lorsque deux objets massifs se rapprochent l’un de l’autre, ils commencent par orbiter l’un autour de l’autre. Et ça, ça veut dire qu’ils bougent très vite en duo, ce qui les conduit à émettre des ondes gravitationnelles.
Ces ondes gravitationnelles sont aussi de l’énergie qu’ils perdent, ce qui les conduit à se rapprocher encore un peu plus l’un de l’autre. En se rapprochant, les deux objets accélèrent, ce qui crée des ondes gravitationnelles encore plus puissantes.
Les dernières minutes sont alors particulièrement violentes. Les objets vont alors à des vitesses proches de celle de la lumière, et finissent par se percuter dans un fracas cosmique, où une fraction non négligeable de leurs masses se dissipe sous forme d’ondes gravitationnelles détectables à des milliards d’années-lumière !

Pour une discussion plus complète sur tout ça, je vous laisse écouter l’excellent David Louapre sur Science Étonnante :

Conclusion

La découverte spectaculaire de LIGO, c’est bien sûr une nouvelle confirmation de la théorie d’Einstein, ce qui attriste d’ailleurs bien des théoriciens (dont David) qui auraient aimé voir Einstein remis en cause. Mais cent ans après qu’il a fondé sa théorie, Einstein reste encore immuable au sommet de la physique du géant.

Mais, pour moi, le plus intéressant avec la découverte de LIGO, c’est surtout d’avoir ouvert la voie vers une nouvelles astrophysique. Aujourd’hui retentit le début de l’ère de l’astrophysique par ondes gravitationnelles. Et ça, ça promet tout plein de nouvelles découvertes sur les secrets du cosmos à venir, comme l’annonce super bien l’incroyable Florence Porcel…