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Un duo en or pour les ondes gravitationnelles

Dossier
Paru le 16.10.2017
L'ère des ondes gravitationnelles
Point de vue

Un duo en or pour les ondes gravitationnelles

14.12.2017, par
Lauréats de la médaille d’or 2017 du CNRS, Alain Brillet et Thibault Damour ont contribué, de façon déterminante, à la découverte des ondes gravitationnelles en 2015. Découvrez leur portrait à l’occasion de la remise de cette récompense le 14 décembre, lors d’une cérémonie au Collège de France.

Pour la première fois, la cérémonie est à vivre en direct sur la page Facebook du CNRS à partir de 18h40.
 

Alain Brillet, expérimentateur déterminé

Son plus beau souvenir professionnel ? Assis dans le salon de sa maison, sur les hauteurs de Nice, Alain Brillet1 ne réfléchit pas longtemps : 1992, lorsque Hubert Curien, alors ministre de la Recherche et de la Technologie, a approuvé le financement de Virgo, son projet d’interféromètre. À l’époque, 23 ans séparent encore les physiciens de la collaboration LIGO-Virgo de la première observation des ondes gravitationnelles – sortes de tremblements de l’espace-temps – engendrées par la fusion de deux trous noirs. Mais à l’en croire, le plus dur était fait : persuader du bien-fondé de sa démarche quand lui, dont le regard appuyé traduit la ténacité, paraît n’en avoir jamais douté.

Pourtant, au départ, rien ne destine Alain Brillet, 70 ans cette année, à cette aventure. Étudiant à l’ESPCI2, il s’ennuie pendant les cours et les après-midi de labo de chimie. D’où son choix de se tourner vers la physique, « un peu par défaut au début », admet-il.

Diplômé en 1970, il entre au CNRS comme ingénieur de recherche, à la condition de pouvoir préparer un doctorat, selon ses desiderata. Au Laboratoire de l’horloge atomique où il est nommé, on lui propose de réaliser des lasers stabilisés en fréquence dont John Hall, prix Nobel de physique 2005, vient de démontrer la faisabilité outre-Atlantique. « On m’a dit, voilà ton sujet, on n’y connaît rien, fais ce que tu veux, se souvient Alain Brillet. Ça tombait bien, je n’ai jamais aimé qu’on me dise quoi faire. »

Alain Brillet, lauréat de la Médaille d'or 2017 du CNRS

À propos
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Année de production: 
2017
Durée: 
03:27
Réalisateur: 
Lucie Benhamou
Producteur: 
CNRS Images, 2017

Un maître de la précision
Pendant six ans, l’apprenti physicien fraise, soude, souffle du verre, aligne des lentilles… À la clé, un dispositif présentant des variations de fréquences comparables à celles des horloges atomiques les plus stables, avec des possibilités d’amélioration ! À l’interlocuteur lui faisant remarquer que, avec lui, tout semble facile, Alain Brillet balaie d’un revers de main : « D’une façon générale, j’ai surtout su identifier les problèmes. »

Manifestement, aucun ne lui semble insurmontable. En 1979, en post-doc chez John Hall, à Boulder, dans le Colorado, il met au point une version améliorée de la célèbre expérience de Michelson-Morley visant à tester l’isotropie de la vitesse de la lumière, avec des lasers ultra-stabilisés. Sa précision demeure inégalée pendant plus de 25 ans ! Ce faisant, celui qui se définit comme un instrumentiste découvre les concepts einsteiniens de l’espace et du temps, la relativité générale et les ondes gravitationnelles.
 

Nous avons alors imaginé Virgo, initialement le Very Improbable Radio-Gravitational Observatory !

À son retour en France, Thibault Damour et Philippe Tourrenc l’encouragent à se tourner vers la détection de ces dernières, une gageure. « Rainer Weiss avait calculé qu’un interféromètre de plusieurs kilomètres serait nécessaire pour les mettre en évidence. Il en avait bien étudié les principales spécifications, mais il fallait gagner cinq ordres de grandeur en stabilité des lasers, au moins deux fois plus en stabilité sismique, et la puissance des lasers de même que la qualité des composants optiques n’y étaient pas du tout », résume Alain Brillet.

Qu’importe, pour ce spécialiste des lasers, la quête des ondes prédites par Einstein en 1916 constitue le plus beau défi possible. En 1982, nommé directeur de recherche au CNRS, il se lance avec une minuscule équipe, comme plusieurs groupes de par le monde.

De l’improbable au tangible
Trois ans plus tard, la rencontre avec le spécialiste de l’atténuation sismique Adalberto Giazotto est déterminante. « Lors d’un congrès organisé à Rome, nous avons réalisé la complémentarité de nos approches, se souvient le directeur de recherche émérite. Nous avons alors imaginé Virgo, initialement le Very Improbable Radio-Gravitational Observatory ! »

Au fil des années, le projet devient de plus en plus tangible. Ainsi, en 1989, l’équipe d’Alain Brillet est la première à démontrer la possibilité d’intensifier la puissance d’un laser par de multiples allers-retours du faisceau, sur une idée du physicien écossais Ron Drever.

Pour autant, à la fin des années 1980, le risque de voir Virgo rester dans les cartons est sérieux. En 1989, les deux promoteurs de Virgo déposent leur projet au CNRS. « Plus tard, Patrick Fleury3 m’a avoué avoir accepté de présider l’expertise, persuadé que deux semaines suffiraient pour conclure à l’impossibilité de réaliser Virgo ! » raconte Alain Brillet. Résultat : un rapport positif et, trois ans plus tard, la ratification ministérielle, deux avancées qui, de l’avis de tous, tiennent tout autant à la force de conviction de l’ancien directeur du consortium Virgo qu’à sa maestria expérimentale incontestée.

Sur le site du détecteur italien, Alain Brillet et Jean-Yves Vinet, ancien responsable de Virgo, présentent une maquette qui permet de visualiser comment une masse détermine la courbure de l'espace-temps.
Sur le site du détecteur italien, Alain Brillet et Jean-Yves Vinet, ancien responsable de Virgo, présentent une maquette qui permet de visualiser comment une masse détermine la courbure de l'espace-temps.

Ainsi, c’est lui qui convainc – y compris les promoteurs de LIGO –, d’opter pour des lasers infrarouges, plus stables. Encore lui et son équipe qui montrent qu’un programme de simulation est nécessaire pour spécifier les optiques des interféromètres, programme qui sera transmis aux Américains en 1990. Ou qui porte à bout de bras le projet permettant d’obtenir de la silice à faible absorption, indispensable pour les miroirs et les lentilles des instruments. Enfin, c’est lui qui décide le CNRS à se donner les moyens d’un laboratoire – dirigé par Jean-Marie Mackowski – afin de réaliser des optiques présentant la réflectivité nécessaire pour Virgo et LIGO.
 

La détection des premières ondes
En 2000, la construction de l’infrastructure de Virgo est achevée à Cascina, près de Pise. Puis en 2005, l’instrument est assemblé. Néanmoins, la sensibilité initiale ne suffit pas et les détecteurs restent muets. En 2011, il est donc démantelé au profit d’un nouvel interféromètre dix fois plus performant. En août 2017, il détecte ses premières ondes gravitationnelles.
 

Ma plus grande joie, c’est l’instrument.

Entre-temps, le détecteur de seconde génération de LIGO est entré en service avec deux ans d’avance sur son alter ego européen. Et détecte ses premières « vagues d’espace-temps » en septembre 2015. Certes, LIGO et Virgo partagent les données et signent conjointement toutes les publications. Il n’empêche, certains membres de Virgo ne cachent pas leur amertume.

« On n’a pas à se plaindre », lâche simplement le lauréat 2016 du grand prix Ampère de l’Académie des sciences qui, depuis trois ans, a arrêté la physique pour raison de santé. Et d’ajouter : « Ma plus grande joie, c’est l’instrument. Lorsqu’il a fonctionné pour la première fois, je me suis dit qu’on n’avait pas travaillé pour rien. » Au vu des résultats, c’est peu dire : rien moins que la preuve que les ondes imaginées par le père de la relativité il y a un siècle sont une réalité, et, ce faisant, l’ouverture d’une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Bien plus qu’un beau souvenir !
 

Thibault Damour, théoricien de l’espace-temps

Des bibliothèques jusqu’au plafond, des montagnes de papiers, un tableau recouvert d’équations… Dans le vaste bureau où Thibault Damour reçoit ses visiteurs, à l’Institut des hautes études scientifiques (IHES), l’image du théoricien évoluant loin du monde, dans un univers exclusivement peuplé d’abstractions mathématiques, est parfaite. Si ce n’était cette photo d’Albert Einstein, surmontée d’une montre molle à la Dali. « Je suis un physicien au sens vrai, l’observation toujours à l’esprit », confirme le spécialiste de la relativité générale.

Et de fait, Thibault Damour amorce la conversation en présentant un exemplaire du dossier déposé au CNRS par Alain Brillet en 1982 pour appuyer son projet de détecteur d’ondes gravitationnelles. Ces infimes déformations de l’espace-temps observées pour la première fois en 2015 que, par ses travaux théoriques, il a contribué à découvrir, et pour lesquelles il vient de recevoir la médaille d’or du CNRS. Point d’orgue d’une existence tout entière vouée à l’étude de la théorie einsteinienne de la gravitation.
 

Thibault Damour, lauréat de la Médaille d'or 2017 du CNRS

À propos
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Année de production: 
2017
Durée: 
03:24
Réalisateur: 
Alexandra Ena
Producteur: 
CNRS Images, 2017

Une erreur d’Einstein repérée... à 14 ans
La formule n’a rien d’une licence. Benjamin d’une famille de neuf enfants, Thibault Damour dévore, petit, les livres de physique de son aîné de sept ans. À 14 ans, il a digéré le fameux cours de physique de Landau, absorbé Bourbaki pour les maths, et déniché une « erreur » dans un article d’Einstein ! « J’étais passionné par le problème de l’attraction entre deux corps en relativité générale, qui permet de s’interroger sur les fondements de la gravitation et donc de l’espace et du temps », évoque le physicien âgé de 66 ans.
 

Les meilleures idées viennent souvent de cerveaux complémentaires, comme deux silex qui se cognent.

Après des études à l’École normale supérieure et une thèse très technique, « sur des problèmes qui avaient l’air sans intérêt », il séjourne à Princeton entre 1974 et 1976, où il travaille sur la physique des trous noirs. « Ces deux années ont été déterminantes. Auprès de scientifiques tels Remo Ruffini et John Wheeler, j’ai réalisé l’importance de l’intuition en physique », explique-t-il.

Premières intuitions sur les ondes
C’est également au cours de cette parenthèse américaine que Thibault Damour apprend la découverte du premier pulsar binaire, un système stellaire double composé d’un pulsar et d’une étoile à neutron, par Joseph Taylor : « J’ai tout de suite compris que je tenais là une réalisation du problème théorique qui m’occupait depuis que j’étais gamin. »

Précisément, dès 1918, le père de la relativité note que la période orbitale de ce type de systèmes doit diminuer au cours du temps par perte d’énergie gravitationnelle. Mais aucune démonstration rigoureuse n’étaye la prédiction. Avec Nathalie Deruelle, Thibault Damour se lance et démontre que le phénomène est lié à l’émission d’ondes gravitationnelles. « Ce problème très difficile, survolé par de nombreux contributeurs, a nécessité trois années de travail, en particulier rendues possibles par le cadre au long cours offert par le CNRS où j’ai exercé à partir de 1977 », tient à rappeler celui qui, en 1989, devient professeur permanent à l’IHES. Confirmée par Joseph Taylor, l’évolution de la période du pulsar binaire constitue donc la première preuve de la réalité des ondes gravitationnelles. Avec, à la clé, le prix Nobel 1993 pour l’astrophysicien américain et son étudiant, Russell Hulse.

Thibault Damour et Joseph Taylor collaborent quelques années, réalisant plusieurs tests de la relativité générale, l’une des périodes marquantes de la carrière du physicien français. « Je me souviens de notre collaboration ici, à l’Institut, en 1991. J’ai dit à Joe que j’avais une nouvelle prédiction, il a immédiatement sorti ses données et nous avons ensemble contemplé le résultat sur l’écran de l’ordinateur ! », évoque le lauréat 1996 de la médaille Einstein, de l’Albert Einstein Gesellschaft.

Ce dernier n’omet d’ailleurs jamais de citer le nom d’un collaborateur, insistant sur l’importance du brainstorming à deux au tableau et des discussions à bâtons rompus lors de longues promenades en forêt : « Les meilleures idées viennent souvent de cerveaux complémentaires, comme deux silex qui se cognent », assure-t-il.

Dans son bureau à l'IHES, où il est professeur permanent, Thibault Damour discute d'un problème d'émission d'ondes gravitationnelles avec son postdoctorant irlandais Chris Kavanagh.
Dans son bureau à l'IHES, où il est professeur permanent, Thibault Damour discute d'un problème d'émission d'ondes gravitationnelles avec son postdoctorant irlandais Chris Kavanagh.

Des prédictions inédites sur la forme des signaux
En 1982, celui de Thibault Damour fait « tilt » lors d’une session de l’École de physique des Houches1 où, depuis 1951, les physiciens se retrouvent pour discuter des avancées de leur science. Les expérimentateurs commencent à parler de détecteurs d’ondes gravitationnelles, et il devient clair pour l’académicien qu’une théorie permettant de prédire la forme de l’émission de sources quelconques est une nécessité. Il développe ainsi plusieurs approches en ce sens, dont la méthode dite EOB (Effective-one-body). Au début des années 2000, celle-ci permet de décrire pour la première fois la forme précise des signaux émis lors de la fusion de deux trous noirs orbitant l’un autour de l’autre. Signaux que capteront les interféromètres LIGO quinze ans plus tard. Elle constitue du reste l’un des piliers de l’analyse des données du réseau d’interféromètres LIGO-Virgo. « J’ai été très chanceux que la nature offre ainsi la possibilité de tester ces prédictions », commente le lauréat 2016 du Special Breakthrough Prize In Fundamental Physics.
 

Je me souviens de moi adolescent lisant Einstein ; il est de mon devoir de commu­ni­quer cet amour.

Ainsi, Thibault Damour s’est autorisé ces dernières années à travailler sur des sujets plus spéculatifs. En particulier la question de l’avant-big bang, qu’il aborde dans le cadre de la théorie des cordes, qui vise à réconcilier formellement relativité générale et mécanique quantique. « C’est la seule partie de mes travaux sans rapport avec le monde réel », confesse-t-il. Et encore en a-t-il tiré des prédictions de la théorie des cordes sur d’éventuelles violations du principe d’équivalence, selon lequel tous les corps tombent à la même accélération, aujourd’hui à portée d’expérience.

Comme le confie le théoricien, « c’est cet Univers mystérieux dans lequel nous évoluons qui m’intéresse ». Féru de philosophie et de métaphysique, pianiste confirmé, il sait que la science n’épuise pas le vertige. « Mais je la prends très au sérieux, dans la mesure où, avec Einstein, je considère que ce sont les théories qui font la réalité », analyse-t-il. D’où sans doute une certaine gravité lorsqu’il évoque sa responsabilité de physicien : « Lorsqu’on a la possibilité, comme c’est mon cas, de faire la recherche que l’on souhaite, on est dans l’obligation d’essayer d’apporter une contribution à des questions profondes. » Et aussi de transmettre, selon cet auteur de plusieurs livres à destination du grand public : « Je me souviens de moi adolescent lisant Einstein ; il est de mon devoir de commu­ni­quer cet amour. » Une relation quasi sensible à la science, bien au-delà des équations qui recouvrent les murs du vaste bureau. ♦

 

Notes
  • 1. Alain Brillet est actuellement directeur de recherche émérite au CNRS, affecté au laboratoire Artemis (CNRS/Université Nice Sophia-Antipolis/Observatoire de la Côte d’Azur).
  • 2. École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris.
  • 3. Le physicien des hautes énergies Patrick Fleury présidait en 1989 le comité d’évaluation du projet Virgo.
Aller plus loin

Auteur

Mathieu Grousson

Né en 1974, Mathieu Grousson est journaliste scientifique. Diplômé de l’École supérieure de journalisme de Lille, il est également docteur en physique.

 

Commentaires

1 commentaire

Désolé mais mettre un lien facebook pour regarder la remise du CNRS, cela ne me semble pas du niveau de la com du CNRS. Il y a un internet au delà de facebook. Merci d'utiliser des services sous législation française et qui payent leurs impôts !
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