A quoi la découverte des ondes gravitationnelles va-t-elle bien pouvoir servir ?

Des physiciens ont annoncé avoir prouvé la théorie des ondes gravitationnelles formulée par Einstein, il y a 100 ans. Francetv info vous explique pourquoi cette découverte va changer notre vision de l'univers.

La silhouette d'un scientifique se détache devant la représentation d'ondes gravitationnelles, à l'Institut Max Planck d'Hanovre (Allemagne), le 11 février 2016.
La silhouette d'un scientifique se détache devant la représentation d'ondes gravitationnelles, à l'Institut Max Planck d'Hanovre (Allemagne), le 11 février 2016. (JULIAN STRATENSCHULTE / DPA / AFP)
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Le monde de l'astrophysique n'arrête pas d'en parler : les ondes gravitationnelles, théorisées par Albert Einstein en 1916, existent bel et bien. Des physiciens américains ont annoncé avoir détecté leur présence pour la première fois, jeudi 11 février. Vous ne savez pas de quoi il s'agit ? Comme l'explique Télérama, l'espace-temps est un peu comme un gros bloc de gelée dans lequel les galaxies seraient coincées. Lorsqu'un événement violent se produit (par exemple la collision de deux étoiles), cela provoque des vibrations dans toute la gelée : ce sont les ondes gravitationnelles.

Tout ça, c'est bien joli, mais ça ne vous dit toujours pas à quoi cette découverte va bien pouvoir servir. Rassurez-vous : francetv info a enquêté et vous révèle ce que les scientifiques vont pouvoir apprendre grâce aux ondes gravitationnelles.

En savoir plus sur les trous noirs

L'existence des ondes gravitationnelles a été prouvée, fin septembre, grâce à l'interféromètre américain LIGO. Ce dispositif constitué de deux lasers a enregistré l'onde de choc provoquée par la collision de deux gigantesques trous noirs dans une galaxie située à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. Mais en plus de confirmer la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, ces données ont déjà révélé de précieux éléments sur l'univers.

Certains trous noirs, ces masses très compactes qui aspirent tout sur leur passage (même la lumière), se forment après l'effondrement d'une étoile. C'est le cas des deux trous noirs observés par le LIGO, selon Luc Brachet, directeur de recherche au CNRS. 

"Généralement, ce type de trou noir fait environ 10 fois la masse du Soleil : ces deux-là, énormes, faisaient chacun 30 à 40 fois la masse de notre étoile, détaille ce spécialiste de la physique théorique. Cela signifie que les étoiles à partir desquelles ils se sont formés faisaient 50 à 100 fois la taille du Soleil." Selon le scientifique, jamais une étoile aussi grosse n'a été observée dans l'univers jusqu'ici.

David Reitz, directeur du LIGO, montre la collision de deux trous noirs qui a provoqué les premières ondes gravitationnelles jamais enregistrées, lors d'une conférence de presse à Washington (Etats-Unis), le 11 février 2016.
David Reitz, directeur du LIGO, montre la collision de deux trous noirs qui a provoqué les premières ondes gravitationnelles jamais enregistrées, lors d'une conférence de presse à Washington (Etats-Unis), le 11 février 2016. (SAUL LOEB / AFP)

Les ondes gravitationnelles pourraient aussi permettre aux scientifiques de vérifier leurs théories sur la formation d'un autre type de trou noir. "Au centre des galaxies, on trouve des trous noirs supermassifs : celui de la Voie lactée fait 4 millions de fois la masse du soleil, détaille Luc Brachet. Mais on ne comprend pas vraiment comment ils se forment."

Pour en savoir plus sur les supermassifs, il y a toutefois une nouvelle étape à franchir : envoyer des interféromètres dans l'espace. La fréquence des ondes gravitationnelles émises lors de la collision de ces gigantesques trous noirs est en effet très basse. "Elle est impossible à détecter sur Terre, à cause des vibrations du sol qui agissent comme un bruit parasite", explique Luc Brachet. 

"En orbite, en revanche, on peut faire complètement abstraction des mouvements du sol et capter ces ondes, d'une fréquence de moins d'un hertz", abonde Jean-Yves Vimet, directeur à l'Observatoire de la Côte d'Azur et l'un des chercheurs en charge de l'interféromètre européen Virgo (Italie). Ne restera plus qu'à observer la fusion de deux galaxies, et donc de deux supermassifs au centre de ces galaxies, pour mieux comprendre ces trous noirs.

Ecouter les étoiles

Capter les ondes gravitationnelles, c'est un peu comme "écouter" les bruits de l'univers. "Jusqu'ici, nous étions des explorateurs sourds : tout ce que nous percevions était vu, mesuré grâce à la lumière, explique Luc Brachet, du CNRS. Maintenant, on va pouvoir 'entendre' la collision d'étoiles, dans une galaxie très lointaine, un peu comme on entendrait le rugissement d'un lion dans la jungle, mais sans le voir." En gros, ce qu'on ne pouvait pas voir jusqu'à présent, on va pouvoir l'écouterPoétique, non ?

Au-delà de la jolie analogie, écouter les étoiles pourrait s'avérer très utile pour mieux comprendre leur fonctionnement interne. Prenons l'exemple de la supernova, c'est-à-dire le phénomène d'explosion d'une étoile. "Lorsqu'une étoile explose, ses couches supérieures sont expulsées en provoquant une lumière formidable et son centre s'effondre en formant un trou noir", rappelle Luc Brachet. Les scientifiques ont mis au point plusieurs modèles numériques pour étudier ce phénomène. Le problème, c'est qu'ils n'arrivent toujours pas à identifier l'élément déclencheur de ces explosions.

"C'est un phénomène qui se produit tous les quarante ans environ dans notre galaxie : si on a de la chance, les interféromètres LIGO et Virgo pourront capter une supernova dans la Voie lactée", poursuit Luc Brachet. Avec, à la clé, l'explication de la disparition, dans un grand boum, de ces étoiles.

Les scientifiques espèrent aussi en apprendre plus sur les étoiles à neutrons. Ces dernières se forment après la disparition d'astres quatre ou cinq fois plus gros que notre soleil : elles sont beaucoup plus petites que les étoiles d'origine, mais tout aussi "lourdes". L'étude des ondes gravitationnelles provoquées par la collision de deux étoiles à neutrons pourrait donc permettre de "sonder leur intérieur" et de comprendre la physique interne de ces astres très denses. Pas mal, non ?

Mieux comprendre le Big Bang

A l'origine de l'univers, il y a le Big Bang : une expansion accélérée et exponentielle du cosmos. Pour l'instant, cette croissance gigantesque n'a jamais été prouvée. Les ondes gravitationnelles pourraient toutefois apporter quelques réponses sur ce qui s'est produit juste après le Big Bang.

"En théorie, les ondes gravitationnelles produites par cette expansion formidable emplissent tout l'univers", explique Luc Brachet, du CNRS. Mais "l'écho" du Big Bang ne peut pas être enregistré de la même façon que celui de la collision de deux trous noirs. "Les ondes gravitationnelles enregistrées en septembre provenaient d'un événement proche et précis, souligne le physicien de l'Institut d'astrophysique de Paris. Celles du Big Bang sont diffuses et remontent à environ 14 milliards d'années-lumière."

Conséquence : pour les détecter, les scientifiques cherchent plutôt à identifier les effets des ondes gravitationnelles du Big Bang dans l'univers. Des physiciens américains pensaient d'ailleurs, à tort, avoir capté cet écho de la naissance de l'univers, en mars 2014. "Cette annonce était prématurée mais je pense que, d'ici une dizaine d'années, on détectera vraiment ces ondes gravitationnelles dites 'primordiales'", estime Luc Brachet.

Découvrir de nouveaux objets célestes

Là, pas facile de vous donner des détails. Les physiciens eux-mêmes n'ont aucune idée de tout ce qu'ils pourront découvrir grâce à l'astronomie gravitationnelle. Mais ils sont certains d'avoir droit à quelques surprises. "A chaque fois qu'un nouveau moyen d'astronomie est découvert, les scientifiques observent des phénomènes qu'ils n'avaient jamais imaginés", s'enthousiasme Luc Brachet. "Lorsque Galilée a inventé la lunette astronomique [le premier télescope], il a découvert les satellites de Jupiter, qu'il pensait être des étoiles", rappelle encore Jean-Yves Vimet.

La découverte d'objets astraux qui dépasseraient tout ce que les scientifiques peuvent prévoir est d'autant plus probable que l'espace est encore largement inconnu. Selon le CNRS, l'univers est ainsi composé à 70% de lumière noire et à 25% de matière noire, dont on ignore pratiquement tout. L'astronomie gravitationnelle, qui devrait "exploser dans les prochaines années", pourrait donc permettre d'explorer ces zones d'ombres.