Les ondes gravitationnelles et l’interféromètre LIGO

A moins que vous ne viviez reclus, vous n’avez pas pu passer à côté de la nouvelle annoncée par l’expérience LIGO cette semaine: des ondes gravitationnelles ont été directement détectées.

Vue aérienne de LIGO sur le site de Hanford (état de Washington, Etats-Unis). Source : LIGO.

Si vous n’aviez jamais entendu parlé de ces ondes gravitationnelles auparavant, c’est tout simplement parce que cela fait bien longtemps qu’on suppose leur existence et elles avaient même été déduites à partir de mesures indirectes sur un pulsar binaire en 1974 (ce qui d’ailleurs valut un prix Nobel à ses auteurs). L’existence de ces ondes découle directement de la relativité générale d’Einstein de 1916. On peut dire que la mesure directe de ces ondes permet d’enfoncer un peu plus le clou de la relativité générale qui constitue toujours aujourd’hui la théorie la plus avancée pour décrire la gravité: elle n’a jamais été mise en défaut ! Ce n’est donc pas une « découverte » au sens strict mais plutôt une confirmation expérimentale directe.

Si on fait le rapprochement avec la détection du Boson de Higgs au CERN en 2012, c’est un peu pareil car le Higgs avait été prédit depuis les années 60 et a permis de valider un peu plus le modèle standard (le modèle qui explique la matière et ses interactions, sauf la gravité…). Cependant, le boson de Higgs a été déduit de manière indirecte car c’est le produit de ses désintégrations qui a été détecté par des détecteurs, contrairement aux ondes gravitationnelles qui ont directement « excité » les détecteurs de LIGO au mois de Septembre 2015.

Un peu de théorie

Dans la relativité générale, l’espace et le temps sont liés dans une même structure : l’espace-temps. Dans cette structure, tout objet ayant une masse déforme l’espace-temps et si cet objet est accéléré fortement, il peut perturber cette structure selon sa forme, sa direction et sa vitesse. De cette manière, une vague le long de l’espace-temps peut se propager à la vitesse de la lumière et c’est cette vague dans l’espace-temps qu’on appelle « onde gravitationnelle ». Pour induire une onde détectable par nos moyens de mesure sur Terre, le cas idéal serait deux objets très massifs comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons qui tourneraient autour d’un point situé entre ces 2 objets. C’est exactement ce qui se passe dans ce qu’on appelle en astrophysique des systèmes binaires composés de 2 étoiles à neutrons ou de 2 trous noirs tournant l’un autour de l’autre et se rapprochant au fur et à mesure jusqu’à se rencontrer (coalescence). C’est visiblement d’une telle coalescence que l’onde gravitationnelle détectée par LIGO était issue.

Système binaire de 2 étoiles (source : Wikipédia)

Un peu d’expérimentation

La question est simple mais la réponse l’est moins : comment détecter le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre ? On peut reformuler cette question comme: comment mesurer une déformation locale de notre espace-temps sur Terre ?

Eh bien, une solution consiste à mesurer la distance entre 2 points et de voir si cette distance serait par hasard soudainement allongée puis rétrécie. Si on double cette expérience de mesure à 2 points du globe et qu’on détecte un allongement/rétrécissement dans ces 2 expériences avec un intervalle de temps égal au temps nécessaire à la lumière pour parcourir cette distance, alors on pourra émettre l’hypothèse qu’une onde gravitationnelle a traversé les 2 expériences car une telle onde doit se propager à la vitesse de la lumière. C’est exactement ce que vient de réaliser LIGO aux États-Unis entre Hanford (état de Washington) et Livingston (état de Louisiane) qui sont distants de 3000 kilomètres et qui ont détecté une onde sur leurs détecteurs à 7 ms d’intervalle. Vous allez me dire que dans ce cas, l’intervalle devrait être alors de 10 ms pour parcourir 3000 km, pas 7 ms, mais l’onde gravitationnelle ne se propage pas forcément perpendiculairement aux 2 expériences mais de biais et donc, le décalage temporel permet également de compléter d’autres données pour trouver dans quelle direction cette onde a été émise. Dans le cas de l’onde détectée par LIGO, ce serait un point dans l’hémisphère sud en direction du grand nuage de Magellan (mais beaucoup plus loin, à environ 1 milliard d’années-lumière).

Interféromètre de Michelson

Pour détecter cette perturbation d’espace-temps entre 2 points, les scientifiques ont construit deux interféromètres de Michelson géants. Le fonctionnement d’un interféromètre Michelson est relativement simple à comprendre car il est simplement constitué de 2 miroirs placés perpendiculairement et d’une lame semi-transparente appelé séparatrice en son centre (plus une autre lame compensatrice si on travaille avec de la lumière blanche). On réalise d’ailleurs fréquemment cette expérience dans les salles de travaux pratiques à l’université ou en école d’ingénieur dans le cadre des cours d’optique ondulatoire pour comprendre le phénomène d’interférence.

Interféromètre de Michelson (source : Wikipédia)

La lumière se comporte (parfois !) comme une onde et à ce titre, certaines ondes peuvent se « superposer » et former ainsi des figures d’interférence. Si on fait passer dans un interféromètre de Michelson un faisceau laser, on obtient 2 ondes avec la séparatrice et lorsque les 2 ondes se recombinent après avoir été renvoyées par les miroirs, on induit un déphasage entre les 2 ondes en fonction de la distance entre les miroirs et la séparatrice, ce qui provoque une interférence. Cette interférence apparait sous forme de franges de différentes couleurs selon la source de lumière utilisée. Ces franges sont fonction de la distance entre les 2 miroirs et donc lorsque la distance change, les franges bougent car les 2 ondes de lumière interfèrent différemment. Je me souviens parfaitement de cette expérience pendant mes études d’ingénieur et j’avais trouvé ça incroyable de pouvoir voir aussi facilement le phénomène d’interférence qui s’opère à une échelle si petite.

LIGO : le dispositif

Le concept d’interféromètre est donc assez simple mais pour atteindre la précision souhaitée pour détecter des ondes gravitationnelles, c’est un véritable tour de force car ces interféromètres qui mesurent 4 kilomètres de long doivent pouvoir mesurer une différence de distance de 10^-18 m, soit un milliardième de milliardième de mètre ou encore le dix millième du diamètre d’un proton !! Le rapport de distance à mesurer est donc de 10²¹, ça revient à mesurer une différence de 1 centimètre entre la Terre et l’étoile la plus proche de notre système solaire (Proxima du Centaure située à 4 000 années-lumière). C’est juste incroyable !

Tout d’abord, LIGO possède bien des bras de 4 kilomètres mais en fait, la lumière en parcourt 1600 entre le miroir et la séparatrice car entre les 2, les scientifiques ont rajouté ce qu’on appelle une cavité de Fabry-Perrot dans laquelle le faisceau fait 400 aller/retours histoire de rallonger artificiellement les bras et donc d’améliorer la sensibilité du dispositif.

Schéma de principe de LIGO. Source : LIGO

Ensuite, les miroirs de 34 cm de diamètre et pesant 40kg chacun sont suspendus à un quadruple pendule géant qui permet de stabiliser les miroirs pour s’affranchir des vibrations du sol et des microséismes. Finalement, c’est bien entendu un LASER très perfectionné de 200 W dans le proche infra-rouge qui est utilisé comme source lumineuse et le faisceau voyage dans une enceinte à vide de 10 000 m³ qui est maintenue à une pression de 10^-8 mbar pour éviter toute perturbation.

Schéma du quadruple pendule stabilisant les miroirs de LIGO. Source : LIGO.

Au final, il s’agit donc de détecter un signal d’écartement des miroirs au-dessus d’un bruit de fond produit par toutes les petites imperfections du système et de l’environnement et c’est ce qui s’est passé ! Ce qui est incroyable c’est que la forme du signal détecté est véritablement ce à quoi les scientifiques rêvaient: une oscillation qui grandit petit à petit et qui augmente en fréquence jusqu’à s’éteindre soudainement. Cela correspondrait à deux trous noirs qui tourneraient autour l’un de l’autre en se rapprochant de plus en plus vite jusqu’à fusionner pour ne faire qu’un. On flirte avec la science-fiction !

Mesure de l’écartement des miroirs dans les 2 sites de LIGO aux Etats-Unis lors du passage de l’onde gravitationnelle. Source : LIGO.

 La suite de l’aventure…

Eh bien, nous allons peut être pouvoir rajouter une nouvelle particule à notre bestiaire. Si ces ondes gravitationnelles existent bel et bien, cela signifie que la gravité se propage effectivement à la vitesse de la lumière et cette propagation de force peut être associée à une particule vecteur : le graviton. C’est la même chose qu’avec le photon qui « transporte » la force électromagnétique. On peut donc voir LIGO comme un « télescope » mais qui au lieu de détecter des photons, détecte des gravitons, c’est un genre de nouvel astronomie…

Dans les projets avenirs, n’oublions pas que le nouveau LIGO (advanced LIGO) rentre à peine en opération et on peut donc s’attendre à de nouveaux évènements très prochainement. Un projet quasi identique en Europe va bientôt aussi reprendre du service (VIRGO) en Italie près de Pise qui est un autre interféromètre de 3 kilomètres. Il faut aussi mentionner le projet eLISA de l’Agence Spatiale Européenne qui a pour objectif de déployer un interféromètre dans l’espace pour chercher des ondes gravitationnelles également (et on parle ici de faire parcourir 1 million de kilomètres aux faisceaux laser de l’interféromètre..).

A suivre…