Les ondes gravitationnelles

Einstein avait finalement raison: les ondes gravitationnelles, dont il avait prédit l'existence en 1918, ont été détectées par les interféromètres Ligo et Virgo près de cent ans après.

Les ondes gravitationnelles, qu'est-ce que c'est?

Lorsqu'une étoile massive explose, lorsque deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs fusionnent, ou encore au début du Big Bang, l'énergie énorme dégagée engendre un cataclysme cosmique, des déformations du tissus espace-temps, selon Einstein, de l'Univers se propagent à la vitesse de la lumière comme des vagues à la surface de l'eau lorsqu'on jette un caillou, ce sont des ondes gravitationnelles. 

Les interféromètres Ligo et Virgo

Comment détecter des ondes gravitationnelles envoyées il y a des milliards d'années, à des milliards de milliards de km? Comment détecter des variations de distances de l'ordre de 10 ^-18 m c'est-à-dire un millième de la taille d'un noyau d'atome? C'est effarant! Ce sont des performances exceptionnelles sans précédent de la technologie, des exploits réalisés par les interféromètres Ligo et Virgo. J'en suis émerveillé et voudrais vous faire partager cet émerveillement.

Les deux interféromètres américains Ligo se trouvent, l'un à Livingstone (Louisiane), l'autre à Hanford (Etat de  Washington), l'interféromètre Virgo est une réalisation franco-italienne située à Cascina près de Pise et inaugurée par Claudie Haigneré le 23 juillet 2003. Ces trois interféromètres sont conçus de la même façon et sont pratiquement identiques. Voici une magnifique photo de l'interféromètre Virgo:

Un faisceau de rayons laser est divisé en deux par un miroir et les deux faisceaux obtenus sont envoyés dans deux bras perpendiculaires longs de 3 km (4 km dans les interféromètres Ligo). Après de multiples réflexions sur deux miroirs placés aux extrémités de chaque bras, le trajet des rayons est allongé considérablement (plus de 100 km). Les deux faisceaux sont ensuite re-combinés pour donner des franges d'interférence visibles sur un détecteur.

Quand des ondes gravitationnelles arrivent, les miroirs placés aux extrémités des deux bras vibrent et les trajets des deux faisceaux laser sont perturbés, raccourcis ou allongés, les franges d'interférence sont modifiées, elles clignotent très légèrement à la fréquence des ondes gravitationnelles, elles brillent d'un éclat sans pareil, leurs images sont transmises à des photodiodes qui les transforment en signaux électriques.

Les détections

Nombreuses sont les détections d'ondes gravitationnelles. Nous ne citerons que la plus récente.
Les membres de la collaboration Ligo et Virgo ont détecté, quasi simultanément et chacun de son côté, le 29 juillet 2017 des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs à environ 5 milliards d'années-lumière (une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en une année, soit 9 461 milliards de km). Un trou noir de 50,6 masses solaires (une masse solaire est la masse du Soleil) a fusionné avec un trou noir de 34,4 masses solaires pour donner un trou noir de 80 masses solaires.
Problème: 50,6 + 34,4= 85 masses solaires qui fusionnent en un trou noir de 80 masses solaires, où sont donc passés les 85 - 80 = 5 masses solaires?? Facile, dirait le savant Cosinus, elles se sont transformées en énergie E selon la formule d'Einstein (toujours lui!):E = m c², c étant la vitesse de la lumière, m étant les 5 masses solaires. C'est cette énergie E qui envoie des ondes gravitationnelles dans l'Univers.

Le futur interféromètre spatial LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est un projet de l'ESA (European Spatial Agency) et de la NASA.

Vue d'artiste de LISA. On voit les panneaux solaires dans chaque satellite et le Soleil qui brille.

Trois satellites seront envoyés dans l'espace au voisinage d'un point de Lagrange stable (voir mon article: "Les points de Lagrange" du 25/03/2015), ils seront reliés entre eux par trois bras formant un triangle équilatéral de 2,5 millions de km de côté (nous sommes bien loin des bras de 3 ou 4 km de Virgo ou Ligo). Ces bras seront constitués de faisceaux laser envoyés ou reçus par ces satellites. On observera  les interférences de deux de ces faisceaux (éventuellement modifiées lors du passage d'ondes gravitationnelles) dans l'un des satellites.

Il était une fois, le Big Bang

Peut-être, détecterons-nous un jour des ondes gravitationnelles provoquées par l'énergie phénoménale du début du Big Bang??......