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Les premiers pas de l’astronomie gravitationnelle

Les premiers pas de l’astronomie gravitationnelle

10.07.2020, par
Vue d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons
Vue d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons.
Cinq ans seulement après la découverte des ondes gravitationnelles, les astronomes exploitent déjà ces nouveaux messagers cosmiques. Et le meilleur reste à venir avec l'amélioration des instruments actuels et le développement de détecteurs de nouvelle génération.

Le 14 septembre 2015, c'est une nouvelle fenêtre qui s'est ouverte sur l'Univers. Avec la détection, par la collaboration internationale Ligo-Virgo, des premières ondes gravitationnelles en provenance de la fusion de deux trous noirs, les astronomes ont disposé dès lors d'un messager unique pour observer les phénomènes les plus violents du cosmos, restés jusqu’ici invisibles par les autres méthodes d'observation. En moins de cinq ans, cette nouvelle astronomie a multiplié les détections, identifiant un nouveau candidat toutes les semaines. « Et d'ici à quelques années, c'est un événement par jour qu'on mettra en évidence grâce aux améliorations apportées aux instruments », confie Matteo Barsuglia, chercheur au laboratoire Astroparticule et cosmologie (APC)1 et responsable scientifique de Virgo pour la France. De quoi lever le voile sur la nature et l'origine des astres émetteurs de ces ondes, mais aussi tester les théories de la gravitation et en apprendre plus sur l'histoire de l'Univers.

Une prédiction centenaire

Prédites il y a un siècle par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont une manifestation du caractère malléable de l'espace-temps. Tout objet massif déforme ce dernier dans son voisinage. Et quand cet objet est accéléré très rapidement, ces déformations se propagent, comme des vagues à la surface de l’eau : ce sont les ondes gravitationnelles. En réalité, seuls les processus les plus violents de l'Univers peuvent générer des ondes susceptibles d’être observées par nos instruments. Par exemple lorsque deux astres à la fois très massifs et très compacts, comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs, tournent très rapidement l’un autour de l’autre avant de fusionner. Ou encore lorsqu'une étoile massive explose en supernova.

Au passage d'une onde gravitationnelle, la distance entre deux objets est modifiée. Mais malgré l'intensité des phénomènes cosmiques qui les causent, l’ordre de grandeur de leurs effets est minuscule : il faut pouvoir capter sur Terre des variations de longueurs cent millions de fois plus petites que la taille d'un atome par kilomètre ! Cela n’a pas découragé pour autant les scientifiques qui se sont lancés dans les années 1990 dans la construction d'instruments capables de mesurer des déformations aussi ténues : les interféromètres Virgo en Europe, sous l'impulsion de la France et de l'Italie, et Ligo, aux États-Unis.

Vue aérienne de l'interféromètre Virgo.
Vue aérienne de l'interféromètre Virgo.

Dans ces immenses installations, un rayon laser est séparé en deux faisceaux. Ceux-ci sont alors dirigés dans deux bras perpendiculaires de 3 kilomètres de long (ou 4 km dans le cas de Ligo). Chaque faisceau parcourt plusieurs allers-retours en se réfléchissant sur des miroirs. Il finit par sortir et croise l’autre faisceau avec lequel il se recompose. Si les deux faisceaux ont parcouru la même distance, les ondes lumineuses se compensent parfaitement et la sortie de l’interféromètre reste obscure. En revanche, si une onde gravitationnelle passe par là, elle raccourcit un bras et allonge l’autre. Les deux faisceaux se recomposent avec un léger déphasage et de la lumière sort de l’interféromètre. En pratique, réaliser une telle mesure constitue un véritable tour de force car le signal à détecter est si faible que la moindre perturbation peut venir le brouiller, en particulier le bruit sismique dû aux vibrations déclenchées par les mouvements du sol mais aussi les phénomènes météo et les activités humaines. Tous les composants principaux sont donc mis sous vide et suspendus à des « superatténuateurs » qui les isolent du bruit sismique.

Une variété de trous noirs inattendue

Après une première génération d'instruments, qui débutent leurs observations au milieu des années 2000 mais sans enregistrer de détection, la sensibilité est boostée dans les versions « advanced » de Virgo et Ligo. Et en 2015, le succès est enfin au rendez-vous : Ligo, constitué de deux interféromètres distants de 3 000 kilomètres, détecte les premières ondes gravitationnelles. Leur source ? Le ballet de deux trous noirs pesant respectivement 29 et 36 masses solaires, qui tournaient l'un autour de l'autre à une allure folle – un tiers de la vitesse de la lumière – avant de se rencontrer et de fusionner en moins d'une seconde. C'est la première fois que le phénomène – appelé coalescence – est observé, mettant ainsi directement en évidence de tels astres aux masses extrêmes, créés par l'effondrement d'une étoile massive, dont rien, pas même la lumière ne peut s'échapper. Jusqu'ici, on soupçonnait fortement l'existence de ces trous noirs stellaires mais seulement de manière indirecte, grâce aux rayons X qu'émet la matière en train d'être avalée par ces mastodontes. Virgo rejoint bientôt Ligo dans la traque et en 2017, ils identifient un nouveau type de cataclysme cosmique : la fusion de deux étoiles à neutrons, des astres extrêmement denses composés quasiment exclusivement de neutrons – l'un des constituants du noyau des atomes –, vestiges eux aussi d'une étoile massive.
 

Le 17 août 2017, Ligo et Virgo ont détecté une collision d'étoile à neutrons. Et pour la première fois, le télescope Hubble a pu observer la contrepartie de l'événement dans le domaine visible.
Le 17 août 2017, Ligo et Virgo ont détecté une collision d'étoile à neutrons. Et pour la première fois, le télescope Hubble a pu observer la contrepartie de l'événement dans le domaine visible.

Depuis, le tableau de chasse de la collaboration Ligo-Virgo s'est largement étoffé. Une dizaine d'autres événements ont été détectés – principalement des fusions de trous noirs. Et lors de la dernière campagne d'observation réalisée entre avril 2019 et mars dernier, c'est plus de 50 nouveaux candidats qui ont été capturés, dont la nature exacte demande encore confirmation. Cette moisson de données a fourni de précieuses informations sur ces astres ultra-compacts, révélant au passage d'étonnantes surprises. En particulier, ces observations posent une grande énigme astrophysique : comment des trous noirs d'origine stellaire de plusieurs dizaines de fois la masse du Soleil peuvent-ils exister ? Les astronomes savent en effet que les étoiles massives, parce qu'elles sont extrêmement chaudes, perdent beaucoup de matière au cours de leur vie, l'intense rayonnement de l'astre éjectant ses couches externes. Ainsi, une étoile de 30 masses solaires finit sa vie à 15 masses solaires, voire moins. Et de fait, les plus gros trous noirs stellaires que l'on connaissait jusqu'ici dans notre galaxie grâce à l'émission de rayons X ne faisaient qu'une quinzaine de fois la masse de notre étoile. « Les ondes gravitationnelles nous ont forcés à revoir nos modèles concernant la formation et l'évolution de ces étoiles », juge Ed Porter, membre de Virgo au laboratoire APC.

Des évolutions stellaires plus variées que prévu

Cela a notamment conduit les astronomes à envisager des étoiles beaucoup moins riches que le Soleil en éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Ces éléments légers sont en effet beaucoup moins susceptibles d'être éjectés par le rayonnement de l'étoile que des éléments lourds, tel le carbone. Résultat : si l'étoile est cent fois plus pauvre en éléments lourds que le Soleil, alors elle pourrait perdre beaucoup moins de matière au cours de sa vie et finalement s'effondrer en un trou noir de plusieurs dizaines de masses solaires. Ces étoiles se formeraient dans certaines galaxies lointaines et c'est là, pense-t-on, que les fusions ont pu avoir lieu.

Vue d'artiste de trous noirs juste avant leur coalescence, ou collision.
Vue d'artiste de trous noirs juste avant leur coalescence, ou collision.

Dans ce scénario, les couples de trous noirs détectés par Virgo et Ligo étaient à l'origine des couples d'étoiles massives nées ensemble. Mais une autre piste est possible également : ces duos pourraient être aussi le résultat de la capture d'un astre par un autre. « Dans les amas stellaires, les interactions gravitationnelles sont telles qu'elles conduisent à de nombreuses rencontres entre les objets, et donc à des fusions. Ainsi, on peut très bien imaginer que des fusions successives de petits trous noirs aient conduit aux coalescences des plus gros qu'on observe. Les ondes gravitationnelles nous montrent clairement qu'il n'y a pas un seul schéma d'évolution des étoiles massives mais toute une diversité qu'il faut prendre désormais en compte dans nos modèles », lance Astrid Lamberts, membre de Virgo au laboratoire Lagrange et au laboratoire Artémis2.

Les étoiles à neutrons mieux comprises

Si les ondes gravitationnelles ont apporté des informations inédites sur les trous noirs, elles ont également permis de faire des pas de géant sur la compréhension des étoiles à neutrons. Il faut dire que la première fusion observée en 2017 de deux de ces astres concentrant l'équivalent de la masse du Soleil dans un rayon d'une dizaine de kilomètres seulement a été un moment exceptionnel : non seulement l’événement a été vu en ondes gravitationnelles par les interféromètres mais aussi grâce à la lumière par 70 autres télescopes au sol et dans l'espace, faisant ainsi entrer de plain-pied les scientifiques dans l'ère de l'astronomie multi-messager. Contrairement à la rencontre de deux trous noirs qui ne crée probablement aucun signal lumineux, les astronomes s'attendaient en effet à ce que celle de deux étoiles à neutrons engendre – du fait de l'éjection de matière qui s'ensuit – une bouffée de rayon gamma et une kilonova, phénomène visible dans l'optique et dans l'infrarouge. Et c'est précisément ce qu'ont révélé les observations, permettant ainsi de dresser le portrait d'un phénomène qui n'existait jusqu'ici que sur le papier.

Vue d'artiste des ondes gravitationnelles générées par un système binaire d'étoiles à neutrons.
Vue d'artiste des ondes gravitationnelles générées par un système binaire d'étoiles à neutrons.

Et ce n'est pas tout : avec d'autres détections, les astrophysiciens espèrent tirer du signal d'ondes gravitationnelles la signature de l'état de la matière au cœur des étoiles à neutrons, qui reste aujourd'hui totalement inconnu, tant la densité y est élevée – cinq fois celle qui règne dans un noyau atomique. « Juste avant de fusionner, les astres sont déformés par les gigantesques effets de marée qu'ils exercent l'un sur l'autre. Or, les ondes gravitationnelles renseignent sur ces déformations et nous permettent ainsi de sonder les propriétés de la matière si exotique présente dans ces objets », explique Jérôme Novak , du Laboratoire Univers et théories3.

De plus en plus d’observatoires de plus en plus sensibles

Au-delà d'une meilleure connaissance des astres ultra-compacts, l'astronomie gravitationnelle promet également de nous éclairer sur l'évolution de l'Univers. Ainsi, l’événement enregistré en 2017 a offert aux cosmologistes une nouvelle manière de mesurer la vitesse d'expansion de l'Univers, les ondes gravitationnelles permettant de déduire la distance de la source et la lumière de calculer sa vitesse d'éloignement par rapport à nous. « Les autres méthodes pour déterminer ce paramètre sont aujourd'hui en désaccord. Cette nouvelle mesure est donc d'importance pour trancher le débat, voire révéler ce qui se cache au-delà du modèle standard de la cosmologie. Avec un seul événement, la précision atteinte n'est pas encore suffisante pour y voir plus clair mais avec plus de détections similaires, on pourra répondre à cette question dans le futur », note Danièle Steer, membre de Virgo au laboratoire APC.

Si la découverte des ondes gravitationnelles a confirmé de manière éclatante la validité de la relativité générale, cela n'empêche pas les physiciens de faire passer à la théorie d'Einstein des tests poussés. Ainsi, à chaque nouvelle détection, on compare la forme de l'onde calculée à l'aide de la relativité générale à celle de l'onde observée, afin de mettre en évidence la moindre différence, signe que la théorie ne serait pas complète. Il s'agit du même coup de mettre à l'épreuve les théories alternatives. Sur ce point, la fusion d'étoiles à neutrons observée en 2017 a fourni de précieux éléments. Ces mesures ont en effet permis de comparer la vitesse de la lumière à celle des ondes gravitationnelles et ont révélé que ces deux vitesses sont identiques, à 10-15 près. « Or, un certain nombre de théories alternatives, qui tentent de décrire l'accélération de l'expansion de l'univers sans faire appel à la fameuse et mystérieuse énergie noire, mais en modifiant les lois de la gravitation, prédisent une vitesse différente de celle de la lumière. De fait, ces théories sont désormais exclues », note Matteo Barsuglia. Mais le travail des physiciens est loin d'être fini, eux qui espèrent mettre à l'épreuve de manière plus fine encore la relativité générale dans l'avenir.

Vue d'artiste du futur observatoire gravitationnel japonais Kagra.
Vue d'artiste du futur observatoire gravitationnel japonais Kagra.

Afin de répondre à toutes les questions soulevées par cette nouvelle astronomie, les scientifiques n'auront pas d'autres choix que de disposer de données plus précises et d'accumuler plus d'observations pour pouvoir faire des analyses statistiques. Ils l'ont bien compris et travaillent aujourd'hui d'arrache-pied pour augmenter la sensibilité de leurs interféromètres. Du côté de Virgo, un ambitieux programme d'amélioration est en cours : augmentation de la puissance et du diamètre du faisceau laser, augmentation de la taille des miroirs, atténuation du bruit dit « quantique » – car dû à la nature quantique de la lumière du laser – à haute et à basse fréquence, mise en place d'un réseau de sismomètres pour caractériser et soustraire le bruit dit « newtonien », un signal parasite dû au fait que les ondes sismiques entraînent des variations de densité du sol et donc de la gravité qui viennent perturber la mesure. « À l'issue de ce chantier, vers 2025, Virgo sera doté d'une vision quatre fois plus acérée, ce qui lui permettra d'explorer l'espace dans un volume plus de soixante fois plus grand et de multiplier par autant le nombre de détections », se réjouit Raffaele Flaminio, responsable du projet d'amélioration de Virgo au Laboratoire d’Annecy de physique des particule4. Sans oublier que d'ici là, deux autres interféromètres viendront s'ajouter au réseau mondial : Kagra au Japon et Ligo-India en Inde. À eux cinq, les instruments seront sûrs de ne pas rater le moindre événement cosmique et pourront le localiser plus précisément encore dans le ciel.

Le temps des détecteurs géants

Et pour aller plus loin encore, les scientifiques planchent déjà sur la troisième génération de détecteurs. Baptisés Einstein Telescope en Europe et Cosmic Explorer aux États-Unis, ces interféromètres géants – dont le financement n'est pour l'instant pas garanti – qui devraient voir le jour dans les années 2030, seront dotés de bras de 10 à 40 km de longueur. De quoi gagner un facteur 10 en sensibilité ! Avec une telle performance, ils seront capables de voir une coalescence de trous noirs toutes les quelques minutes et d'étoiles à neutrons tous les quarts d'heure, et cela jusqu'à des distances très élevées dans l'Univers, et donc à une époque reculée dans l'histoire de celui-ci. On devrait alors en apprendre énormément sur les populations de ces astres et sur l'évolution des étoiles depuis la formation des premières générations d'entre elles. Mais aussi sur l'expansion de l'Univers et sur la nature de l'énergie noire. Avec ces énormes instruments, les astronomes espèrent également capturer pour la première fois les ondes gravitationnelles émises par une supernova, de quoi faire la lumière sur un phénomène encore bien mal compris.

Vue d'artiste du système de suspension envisagé pour le projet Einstein Telescope.
Vue d'artiste du système de suspension envisagé pour le projet Einstein Telescope.

Mais ce n'est pas tout. En 2034, un autre instrument, placé en orbite cette fois, ouvrira la voie à la détection d'une nouvelle catégorie de cataclysmes cosmiques. Sensible à des longueurs d'onde plus grandes, la mission Lisa – c'est son nom – de l'Agence spatiale européenne, pourra observer des événements impliquant des objets plus gros tels que des fusions de trous noirs supermassifs comme ceux qui se trouvent au centre des galaxies. Pour cela, l'observatoire spatial sera constitué de trois satellites qui s'échangeront des faisceaux laser de manière à former un interféromètre, identique sur le principe aux instruments terrestres, mais dont les bras mesureront 2,5 millions de kilomètres ! « Le défi sera de s'assurer que les variations de distance que l'on mesurera seront dues au passage d'une onde gravitationnelle et à aucune autre force, la pression du vent solaire sur les satellites par exemple », précise Antoine Petiteau, responsable scientifique de Lisa pour la France au laboratoire APC. La solution : équiper les satellites d'un système complexe de microfusées qui réajusteront en permanence la trajectoire de ces derniers en les recentrant autour d'une masse de référence placée dans chacun des satellites. En 2016, le satellite démonstrateur Lisa Pathfinder a justement permis de valider avec succès cette technologie, démontrant la faisabilité du futur interféromètre spatial.

Voir les trous noirs supermassifs et le big bang dans les yeux

Une fois dans l'espace, Lisa s'attaquera à de nombreuses questions scientifiques, à commencer par celles concernant les trous noirs supermassifs. « On ne sait pas comment ces énormes astres de 10 000 à 10 millions de fois la masse du Soleil se forment. Ils pourraient être le résultat de la coalescence progressive de trous noirs plus petits au fur et à mesure que les galaxies entrent en collision et fusionnent, ou bien le fruit de l’accrétion de gigantesques nuages de gaz », explique Antoine Petiteau. Nul doute que Lisa, qui sera capable d'observer des fusions de trous noirs qui ont eu lieu à peine 1 million d’années après le big bang, éclairera ce mystère. 

Vue d'artiste du projet Lisa, le détecteur d'ondes gravitationnelles spatial.
Vue d'artiste du projet Lisa, le détecteur d'ondes gravitationnelles spatial.

On s'attend aussi à ce que la mission européenne dévoile des systèmes aux proportions totalement asymétriques, composés d'un trou noir stellaire de quelques masses solaires et d'un trou noir supermassif un million de fois plus gros. De quoi pousser la relativité générale dans ses derniers retranchements : les ondes gravitationnelles renseigneront sur l'orbite du petit trou noir en train de plonger vers le trou noir supermassif et soumis à un champ gravitationnel d'une intensité extrême. Tout écart de cette orbite, même minuscule, par rapport à celle prédite par la théorie serait alors mis clairement en évidence. Enfin, avec Lisa, mais aussi avec les futurs détecteurs au sol, il sera peut-être possible de remonter aux tout premiers instants de l'Univers, juste après le big bang. « On pense en effet qu'à cette époque primordiale, alors que l'Univers était encore extrêmement chaud et dense, des ondes gravitationnelles auraient été émises qui seraient toujours détectables aujourd'hui sous la forme d'un fond diffus », explique Chiara Caprini, impliquée dans la mission Lisa au laboratoire APC. En les capturant, on n’obtiendrait rien de moins que la plus ancienne « photo » de l'Univers jamais réalisée. De quoi arracher au cosmos ses ultimes secrets... 

À lire sur notre site :
L'ère des ondes gravitationnelles (dossier)

Notes
  • 1. Unité CNRS/Université de Paris.
  • 2. Unités CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur.
  • 3. Unité CNRS/Observatoire de Paris.
  • 4. Unité CNRS/Univ. Savoie Mont-Blanc.
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Auteur

Julien Bourdet

Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.

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