La fusion de deux trous noirs

Je vais essayer de vous expliquer le plus simplement possible des notions assez compliquées: trou noir, fusion de deux trous noirs, ondes gravitationnelles créées par cette fusion, leur détection.

Trou noir

C'est un trou, un puits de masse énorme, dans lequel tombent les étoiles attirées suivant l'attraction newtonienne.

Il est noir parce qu'il n' émet aucune lumière mais des bouffées invisibles de rayons X et de rayons gamma émises chaque fois qu' une étoile tombe dans le trou.
Les trous noirs sont nombreux dans l'Univers. Notre Galaxie (la voie lactée) possède un énorme trou noir en son centre. Soyez rassurés, notre Soleil et toutes les planètes qui l'entourent sont dans un bras de notre Galaxie spirale très loin du trou noir et nous ne risquons pas d'être engloutis dans le trou !

La fusion de deux trous noirs

Il y a 1, 3 milliard d'années, un trou noir de 29 masses solaires (cela signifie que la masse du trou noir est 29 fois la mase du Soleil) a fusionné avec un autre trou noir de 36 masses solaires pour donner un trou noir de 62 masses solaires.

Mais 29 + 36 = 65. Où sont passées les 65- 62= 3 masses solaires? Elles se sont transformées en énergie. Si l'on appelle m la masse totale des 3 masses solaires, c la vitesse de la lumière, cette énergie énorme E est donnée par la  formule d'Einstein : E = mc² . Ce fut un cataclysme cosmique !

Les ondes gravitationnelles créées

La gravitation selon Einstein (voir l'article "La gravitation selon Newton et selon Einstein" du 2 décembre 2015) est une déformation du tissus espace-temps de l'Univers.
L'énergie précédente a créé des déformations de l'espace-temps qui se sont propagées comme des ondes, des vagues, appelées ondes gravitationnelles.

Leur détection

Le 14 septembre 2015 les astrophysiciens des deux interféromètres américains LIGO se trouvant, l'un à Livingstone (Louisiane), l'autre à Hanford (Etat de Washington ) ont détecté, chacun de leur côté, avec stupéfaction, pour la première fois, ces ondes gravitationnelles !!!
Quel est le principe de fonctionnement d'un tel interféromètre?

L'interféromètre LIGO de Hanford

Un faisceau laser est divisé en deux par un miroir. Chacun des deux faisceaux obtenus parcourt l'un des deux bras perpendiculaires de longueur 4 km (voir la photo ci-dessus). Ces faisceaux subissent des réflexions multiples  à l'intérieur des bras, qui allongent considérablement leur trajet, puis les deux faisceaux ressortent de ces bras et se recombinent pour donner des interférences visibles sur un détecteur.

Les ondes gravitationnelles précédentes sont arrivées le 14 septembre 2015 à 9 h 50 min 45 s (temps universel) sur chacun des deux interféromètres américains, les miroirs à l'intérieur des deux bras ont vibré, les trajets des deux faisceaux laser ont été perturbés, raccourcis ou allongés,  et les interférences ont été modifiées dans le détecteur. Les astrophysiciens ont pu voir alors  une ample et magnifique oscillation !!!

Remarques

C'est une performance exceptionnelle, sans précédent, de la technologie! Il a fallu éliminer toutes les sources de vibrations dues aux micro-séismes, marées, activités humaines, .... On a détecté des variations de longueur un milliard de fois plus petite que la taille d'un atome!

Cette observation  directe des ondes gravitationnelles ouvre la voie à une nouvelle astronomie.C'est une véritable révolution comparable à celle de la lunette de Galilée, il y a 400 ans. D'autres interféromètres sont ou seront utilisés. L'interféromètre VIRGO identique aux interféromètres  LIGO (réalisation franco-italienne à Cascina près de Pise) fonctionne en collaboration avec les interféromètres LIGO. L'interféromètre spatial LISA sera composé de trois satellites dans l'espace, ces satellites formeront un triangle équilatéral dont les côtés (les bras dans lesquels trois faisceaux laser subiront des réflexions multiples) auront  cinq millions de km. On espère qu'il sera opérationnel en 2018.

Les découvertes vont s'enchainer. L'origine du Big Bang pourra peut-être s'expliquer. Le Big Bang, l'expansion de l'Univers, la matière sombre, l'énergie sombre sont-ils des phénomènes gravitationnels?

Aux ondes lumineuses on a associé les photons (cette dualité ondes et quanta !....). De même, on associera aux ondes gravitationnelles une nouvelle particule: le graviton, le nouveau Graal des astrophysiciens. On a découvert le boson de Higgs au CERN en 2012. On découvrira un jour le graviton. Pourquoi pas?......