Trois questions pour tenter de comprendre les ondes gravitationnelles

Albert Einstein avait raison : les "vibrations de l'espace de temps" existent, elles ont été détectées par des scientifiques américains. Explications.

Une photo prise le 11 février 2016 montre deux salariés du CNRS travaillant à l'observatoire franco-italien de Virgo, près de Pise (Italie).
Une photo prise le 11 février 2016 montre deux salariés du CNRS travaillant à l'observatoire franco-italien de Virgo, près de Pise (Italie). (FRESILLON CYRIL / CNRS PHOTOTHEQUE / AFP)
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Une découverte majeure, disent en chœur tous les spécialistes. Des chercheurs ont annoncé, jeudi 11 février, la première détection directe d'onde gravitationnelle. Cette onde a été repérée aux Etats-Unis le 14 septembre 2015 par deux instruments de mesure situés à 3 000 km de distance. Elle est née, selon les scientifiques, pendant la dernière fraction de seconde avant la fusion de deux trous noirs.

Cette découverte ouvre une nouvelle fenêtre sur l'univers et ses mystères. En trois questions, francetv info tente de mieux cerner le phénomène.

Que sont les ondes gravitationnelles ?

Les ondes gravitationnelles sont des infimes ondulations de l'espace-temps qui se propagent dans l'univers à la vitesse de la lumière. Elles sont produites par de légères perturbations de cet espace-temps, sous l'effet du déplacement d'un objet de grande masse.

Avant d'être détectées, ces ondes avaient été conceptualisées en 1916 par Albert Einstein, dans la foulée de sa théorie de la relativité générale. Le physicien a décrit la gravitation comme une déformation de l'espace. Les masses, comme le Soleil par exemple, courbent l'espace, à la manière de quelqu'un qui se trouve sur un trampoline. Si les masses sont petites, la déformation est faible (un petit pois sur un trampoline, cela ne fait rien). Si les masses sont grandes, la déformation est importante (une personne sur un trampoline déforme la toile).

Si les masses bougent et connaissent une accélération, ces déformations vont se déplacer et se propager à travers l'espace, formant des ondes gravitationnelles. Celles-ci sont semblables aux ronds dans l'eau se propageant à la surface d'un étang lorsqu'on y jette une pierre. Plus on est loin du jet de pierre, plus la vague devient faible.

Qu'est-ce qui a été observé ?

Cent ans après la théorie formulée par Einstein, cette onde a été détectée pour la première fois le 14 septembre dernier par les chercheurs de Ligo, un observatoire américain composé de deux instruments géants éloignés de 3000 km. L'un se situe à Livingston, en Louisiane (dans le sud du pays), et le second à Hanford, dans l'Etat de Washington (nord-ouest).

L'interféromètre (c'est le nom de l'instrument géant) se compose de deux bras perpendiculaires longs de 4 kilomètres. Lorsqu'une onde gravitationnelle arrive, l'étirement et la compression de l'espace qui en résulte fait que les bras de l'interféromètre s'étirent et raccourcissent alternativement. Ce changement de longueur, constaté grâce au temps de parcours d'un faisceau laser dans chaque bras, permet de mesurer l'amplitude de l'onde gravitationnelle.

La probabilité qu'une fluctuation fortuite ne se produise de manière simultanée dans deux instruments éloignés était inférieure à une sur 200 000 ans de données. Les scientifiques ont conclu qu'il ne s'agissait pas du hasard, mais bien d'une onde gravitationnelle.

Quels enseignements pourra-t-on en tirer ?

L'onde gravitationnelle observée en septembre est née, selon les physiciens, pendant la dernière fraction de seconde avant la fusion de deux trous noirs. Cette collision s'est déroulée il y a 1,3 milliard d'années entre deux trous noirs qui étaient 29 et 36 fois plus massifs que notre Soleil. Un tel phénomène n'avait jamais été observé.

Aussi révolutionnaire que le fut le téléscope, cette découverte est jugée "enthousiasmante pour la physique et très prometteuse pour l'astrophysique et l'astronomie", assure à l'AFP l'astrophysicien David Shoemaker, responsable du Ligo au Massachusetts Institute of Technology (MIT).  

Ces ondes gravitationnelles devraient donner de précieuses indications sur  des corps de grande masse, mal connus. Et notamment sur les trous noirs :  ces objets célestes résultant de l'effondrement gravitationnel d'étoiles massives sont invisibles puisqu'ils aspirent la lumière. Les astrophysiciens ignorent encore comment ces trous noirs, qui se trouvent au centre de quasiment toutes les galaxies, grossissent.  

De façon plus générale, ces ondes devraient permettre d'observer les phénomènes du cosmos les plus violents et fondamentaux, quasiment inobservables autrement. Le fait de pouvoir détecter ces ondes qui voyagent sans perturbations pendant des milliards d'années rend possible, selon les chercheurs, de remonter à la première milliseconde du Big Bang.