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Cosmologie - 12 février 2016 - Les ondes gravitationnelles prévues par Eintein il y a cent ans existent bel et bien !

vendredi 12 février 2016, par anonyme (Date de rédaction antérieure : 12 février 2016).

Des ondes gravitationnelles détectées pour la première fois : une révolution en cosmologie !

http://www.letemps.ch/sciences/2016…

Olivier Dessibourg
Publié vendredi 12 février 2016 à 06:50.

Des chercheurs américains ont observé pour la première fois les ondulations de l’espace-temps, postulées il y a 100 ans par Einstein. La « découverte du siècle » selon certains

Einstein a eu tort et raison en même temps ! Ce qui lui vaut ce jour de figurer à la Une de la presse mondiale. Raison, parce qu’en 1916, le physicien a prédit l’existence de déformations de l’espace-temps appelées « ondes gravitationnelles ». Et tort, parce qu’il estimait ces ondulations cosmiques indétectables, car bien trop faibles. Jeudi à Washington, des chercheurs a annoncé avoir réalisé cette prouesse, déjà qualifiée de « découverte du siècle », tant elle ouvre une nouvelle porte sur l’étude astronomique de l’Univers, jusqu’au Big-Bang.

« Nous avons détecté des ondes gravitationnelles ! », a déclaré David Reitze, directeur de l’expérience LIGO, sous un tonnerre d’applaudissements, avant d’admettre qu’en voyant le signal, il ne « pouvait d’abord pas y croire ». « C’est un cadeau de la Nature », a simplement ajouté Gabriela Gonzalez, porte-parole scientifique de LIGO.

Jean-Pierre Luminet - Les ondes gravitationnelle - mars2014

Cliquer sur l’image pour voir la vidéo.

Pour expliquer le concept d’« espace-temps », ce référentiel abstrait dans lequel s’inscrit l’Univers, les scientifiques aiment utiliser l’image d’un drap de lit tendu entre quatre pieux. Placez en son centre une boule de pétanque : elle y crée un creux. Plus l’objet est lourd, plus la courbure est marquée. De même, comme le drap, l’espace-temps se voit modifié par la présence des astres plus ou moins massifs.

La bille et la boule de pétanque pour comprendre

La même métaphore sert à expliquer la force de gravitation. Lâchez sur le drap creusé une bille : sa trajectoire ne sera pas rectiligne, mais sera déviée par le creux, donc la masse le générant. Comme si la boule de pétanque avait attiré la bille vers elle lors de son passage.

Placez maintenant une deuxième boule sur ce drap, et faites tourner les deux objets ensemble autour d’un point central. Cette « danse » va imprimer au tissu des ondulations, similaires aux vagues que créent des cailloux lancés à la surface d’une marre plane. De même, les astres en mouvement dans l’Univers créeraient des vagues dans l’espace-temps, les « ondes gravitationnelles » ; c’est ce qu’a postulé Einstein dans le cadre de sa théorie de relativité générale de 1915.

Un trou noir binaire en rotation crée des ondes gravitationnelles dans l’espace-temps (DR)

Les calculs ont ensuite suggéré que des couples d’objets célestes très massifs (trous noirs, étoiles à neutrons) pourraient générer des ondes gravitationnelles assez fortes pour déplacer les corps rencontrés sur leurs passage, de même que la vague sur l’étang fait bouger les bouées qui y flotteraient. Pour vérifier cette idée, les physiciens ont construit des expériences de taille, basées sur un vieux principe, celui de l’interféromètre.

Deux rayons orientés à angle droit et un jeu de miroirs les réfléchissant

Cet instrument met en scène deux rayons orientés et un jeu de miroirs les réfléchissant. Il permet de détecter, en scrutant les flux de lumière, si l’un des miroirs a été déplacé. Et plus les rayons sont longs, plus l’instrument est précis. Aux Etats-Unis, le consortium LIGO a construit deux interféromètres géants, l’un en Louisiane, l’autre dans l’État de Washington, avec chacun deux bras de 4 km de long placés à angle droit, et hébergeant des rayons laser, qui sont réfléchis à chaque extrémité par des miroirs. L’appareillage, construit en 2002 mais amélioré dès 2010, est désormais sensible au point de repérer un déplacement d’un miroir correspondant à 1/10000 du diamètre d’un proton ! Un décalage qui pourrait alors être le signe du passage d’une onde gravitationnelle. Et LIGO a vite tenu ces promesses.

Le détecteur américain LIGO, et ses deux bras à angle droit de 4 km de long (DR)

Enclenchée en septembre 2015, les deux interféromètres de Ligo ont livré leur première trouvaille, au coeur de l’annonce faite jeudi par des chercheurs du California Institute of Technology, du MIT de Boston, et de LIGO, et publiée dans les Physical Review Letters. Et ceci simultanément, preuve qu’il s’était bien passé quelque chose. En utilisant la théorie d’Einstein, et en refaisant les calculs à l’envers, ils estiment que les ondes gravitationnelles qu’ils ont observées ont été générées par la « danse » rapprochée de deux trous noirs de 29, respectivement 36 masses solaires, qui ont fini par fusionner en se collisionant à une vitesse faramineuse correspondant à la moitié de celle de la lumière. Un événement qui aurait eu lieu il y a un milliard d’années.

« Le signal que nous avons enregistré est très caractéristique de ce qui est prévu par la théorie de la la relativité générale lors de la coalescence de deux trous noirs massifs, confirme David Reitze, directeur de LIGO à la California Institute of Technology (Caltech). Ce qui est vraiment impressionnant, ce sont les possibilités que cette détection nous ouvre. Nous venons d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur notre univers, comme Galileo l’a fait lorsqu’il a inventé la lunette astronomique. »

Traquer un signe dans le bruit de fond

Cette découverte ne fut pas une sinécure, tant les effets des ondes gravitationnelles sont infimes, comme l’avait averti Einstein. Il a fallu détecter la signature de leur passage dans le « bruit de fond », traduisant toutes les autres raisons susceptibles d’avoir fait bouger un des miroirs de LIGO, comme un mini-tremblement de terre, ou le simple passage d’un camion… « Mais les progrès dans les méthodes d’analyse statistique ont fait d’immenses progrès, commente Ruth Durrer, professeure de physique théorique à l’Université de Genève. Aujourd’hui, les modèles permettent de repérer avec grande acuité dans les données récoltées l’événement traqué ».

En l’occurrence, avec une précision de plus « 5.1 sigma », selon le jargon des physiciens ; sur l’échelle croissante idoine, 5 sigma est le seuil au-delà duquel les chercheurs se permettent d’annoncer une découverte, comme celle du boson de Higgs, la particule mise au jour en 2012 au CERN. Car à ce degré de précision, il est quasi impossible d’expliquer par le seul hasard l’apparition des données observées. Autrement dit, la probabilité d’erreur serait du même ordre que celle qui verrait des parasites radio reproduire une symphonie de Beethoven…

Surtout, se prémunir contre tout emballement

Mieux, les physiciens se sont prémunis contre tout emballement devant des données anormales : des spécialistes externes à LIGO sont à même d’instiller dans l’expérience de faux signaux, afin de vérifier que les scientifiques sont capables d’accomplir jusqu’au bout leur travail d’identification d’une vraie découverte. Une telle opération avait été réalisée en 2010, juste avant la fermeture de l’engin pour réfection. De quoi créer alors une immense excitation, avant que l’intervention externe ne soit rendue publique… « Mais ce genre d’exercice a servi à montrer que les détecteurs sont fiables », dit Ruth Durrer.

La collision de deux astres très massifs peut générer des ondes gravitationnelles (DR)

Cette fois donc, rien d’artificiel. « Cette découverte ouvre le passionnant et gigantesque champ de l’astronomie gravitationnelle’ », se réjouit la physicienne. Et d’expliquer que, jusqu’à aujourd’hui, les astres étaient analysés à l’aide du rayonnement qu’ils émettent (visible, radio, UV, rayons X,…). « Or désormais, la preuve de l’existence des ondes gravitationnelles nous offre un moyen inédit d’étudier les trous noirs, dont on sait peu de choses », ou encore les étoiles à neutrons et le cœur des astres.

En effet, à l’inverse des rayonnements connus, qui se laissent stopper par d’autres objets célestes, les ondes gravitationnelles ont un pouvoir pénétrant infiniment plus grand, et sont diffusées sur de grandes distances dans l’Univers. Au point de livrer aussi des renseignements impossibles à acquérir autrement sur les phases très primitives du cosmos et sur les événements violents qui y ont eu lieu.

Une nouvelle ère, prometteuse

« La nouvelle ère qui s’ouvre en astronomie se veut très prometteuse », a dit Rainer Weiss, du MIT, et co-fondateur de LIGO. Outre les deux interféromètres LIGO, les physiciens ont amélioré leur « frère » VIRGO, situé en Italie, qui entrera en service sous peu. Trois instrument qui permettront alors, par triangulation, de localiser dans le ciel les objets à l’origine d’ondes gravitationnelles. A commencer par le duo de trous noirs précité, dont on devine seulement « la localisation, dans les environs du nuage de Magellan », dit Gabriela Gonzalez.

Surtout, l’Agence spatiale européenne (ESA), en collaboration avec d’autres institutions, développe le projet Lisa, visant à installer vers 2030 un interféromètre dans l’espace, avec des bras gigantesques d’un million de km, donc encore plus précis. « Maintenant que l’on sait que ces ondes gravitationnelles existent, construire ces instruments du futur n’est que plus souhaitable », plaide Ruth Durrer.

Le détecteur LISA devrait être lancé vers 2030 par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) : il sera composé de trois sondes séparées chacune d’un million de km, cette distance équivalent aussi aux bras de l’interféromètre (ESDS)

« Le couronnement d’une incroyable expérimentation »

https://www.letemps.ch/sciences/201…

Propos recueillis par Pascaline Minet et Fabien Goubet
Publié vendredi 12 février 2016 à 08:43.

Quatre experts s’expriment sur la révolutionnaire découverte que représentent les ondes gravitationnelles

Michele Maggiore, Université de Genève

« Tout comme la détection du boson de Higgs en 2012 a permis de tester et de confirmer la validité du Modèle Standard de la physique des particules, la présente détection des ondes gravitationnelles a permis de tester et de confirmer la théorie de la relativité générale. C’est donc une extraordinaire confirmation de l’intuition d’Albert Einstein. Mais c’est également le couronnement d’une incroyable expérimentation d’une précision extrême, développée depuis trente ans. Avec ces ondes, toute la communauté scientifique dispose désormais d’un nouvel outil pour étudier l’Univers. Une nouvelle fenêtre s’ouvre sur le monde. »

Ismaël Cognard, Université d’Orléans

« Suite aux améliorations techniques qui lui ont été apportées et à sa remise en service en 2015, LIGO est rapidement parvenu à détecter des ondes gravitationnelles. Etonnamment, elles proviennent de la fusion de deux trous noirs massifs, alors qu’on pensait ce type d’événement rare ! Est-ce un coup de chance ou sont-ils plus fréquents qu’on l’imaginait ? En tout cas, il est probable que de tels phénomènes seront de nouveau observés au cours de l’année à venir, soit par LIGO, soit par le détecteur européen VIRGO. De quoi faire beaucoup progresser les connaissances scientifiques autour de ces objets mystérieux… »

Philippe Jetzer, Université de Zurich

« Les ondes gravitationnelles qui ont été détectées par LIGO vont beaucoup nous apprendre sur les trous noirs. Elles pourraient également compléter nos connaissances sur la gravité elle-même. La plupart des expériences qui la testent se font sous des régimes dits faibles, autrement dit en condition de gravité basse. Avec ces ondes gravitationnelles, nous pourrions en savoir plus sur le comportement de cette force lorsqu’elle est très élevée. Sur un plan plus pratique, j’espère que tout cela va accélérer le développement des autres détecteurs d’ondes tels que Lisa, dont un premier élément a été lancé dans l’espace fin 2015. »

Thierry Courvoisier, Université de Genève

« Cela faisait des décennies que les physiciens cherchaient à observer des ondes gravitationnelles. Une preuve indirecte de leur existence avait déjà été obtenue dans les années 1970, lors de l’observation d’un couple d’étoiles à neutrons dont l’accélération correspondait précisément à ce qui était prévu par la théorie, en prenant en compte l’émission d’ondes gravitationnelles. Cette découverte avait valu le prix Nobel de physique aux Américains Joseph Taylor et Russell Hulse en 1993. Aujourd’hui, on va encore plus loin en détectant ces ondes directement : c’est une avancée majeure ! »

L’interféromètre, l’art de mesurer des distances

http://www.letemps.ch/sciences/2016…

Denis Delbecq
Publié jeudi 11 février 2016 à 21:28.

L’interféromètre est l’outil servant de base à de nombreux instruments développés afin de détecter les ondes gravitationnelles. Explications sur son fonctionnement

L’interféromètre de Michelson fait interagir un faisceau de lumière avec lui-même : le faisceau est d’abord séparé en deux à l’aide d’une « lame » optique (1). Chacun des deux faisceaux ainsi créés suit l’un des deux parcours avant d’être réfléchi par un miroir dit de « sortie » (2). Les deux faisceaux sont ensuite recombinés dans la même lame optique (3), pour finir dans un détecteur (4). Suivant la différence de distance parcourue le long des deux bras, les signaux ondulatoires de ces deux faisceaux peuvent soit s’additionner (le détecteur voit alors de la lumière), soit se soustraire l’un à l’autre (le détecteur voit… du noir).

Interféromètre de Michelson

C’est cette propriété d’interférence que l’on retrouve au cœur de nombreux instruments de détection des ondes gravitationnelles. Si l’une d’elles traverse un tel interféromètre, elle déplace de manière infime les miroirs des bras, faisant dès lors aussi brièvement varier ce qu’observe le détecteur.

Pour détecter le passage d’une onde gravitationnelle, il faut mesurer des déplacements inférieurs à l’attomètre (soit un milliardième de milliardième de mètre, ou 10-18 m). Plus les bras de l’interféromètre sont grands, plus le dispositif est sensible. C’est pour cette raison que les instruments Virgo et LIGO utilisent des cavités de Fabry-Pérot : chacun des faisceaux rebondit à de multiples reprises entre les deux miroirs de cette cavité avant d’en ressortir. C’est ainsi que dans les bras de LIGO, longs de 4 km, la lumière parcourt 1600 km.

Le futur interféromètre spatial eLisa aura, lui, des bras d’un million de kilomètres !

Briller en société grâce aux ondes gravitationnelles

http://www.letemps.ch/sciences/2016…

Fabien Goubet
Publié jeudi 11 février 2016 à 16:42

A table ou à la machine à café, voici comment aborder sereinement toute discussion à venir au sujet de la découverte des ondes gravitationnelles, qui sera annoncée cet après-midi

C’est une découverte scientifique majeure, peut-être encore plus importante que ne l’a été celle du boson de Higgs en 2012 : des scientifiques sont parvenus, pour la première fois, à détecter directement la présence d’ondes gravitationnelles. L’annonce en sera faite ce jeudi après-midi.

Si les notions d’espace-temps ou les travaux d’Albert Einstein ne vous sont pas familiers, pas de panique : nous vous proposons de mettre vos connaissances à jour en quelques minutes, afin de saisir la portée de ces travaux qui vont révolutionner notre connaissance de l’Univers.

1. Que sont les ondes gravitationnelles ?

Que ce soit dans des livres de physique, des jeux vidéo ou des films de science fiction, vous avez certainement déjà vu ce genre de schéma, où un objet situé dans l’espace semble comme posé sur un filet qu’il déforme.

Une déformation de l’espace-temps. Wikipedia.

Il s’agit d’une représentation de la déformation de l’espace-temps, concept développé par Albert Einstein il y a presque exactement cent ans. Pour le physicien, espace et temps ne forment qu’une seule et même entité qui peut se déformer sous l’effet d’une masse.

Déposez une balle de ping-pong sur le filet, puis recommencez l’expérience avec une boule de bowling : la déformation est d’autant plus grande que la masse de la boule est importante. C’est la même chose pour l’espace-temps.

La théorie générale d’Einstein - 1915

Cliquer sur l’image pour voir la vidéo.

Ces déformations ne sont pas immobiles : elles peuvent se propager dans le cosmos, exactement comme des ondes se propagent à la surface de l’eau lorsqu’on y jette un caillou : ce sont des ondes dites gravitationnelles, dont Einstein a postulé l’existence dès 1916.

La propagation d’ondes gravitationnelles. Wikipedia.

Pour vérifier leur existence, il ne restait donc qu’à les détecter. La tâche s’est annoncée difficile : d’après le physicien, seuls les objets les plus massifs sont en fait capables de générer des ondes gravitationnelles que l’on pourrait détecter. Oubliez les planètes et la plupart des étoiles, il faut viser plus gros, trous noirs ou systèmes binaires d’étoiles sont les seuls candidats suffisamment massifs capables de déformer suffisamment l’espace-temps pour que nous les mesurions. Les ondes gravitationnelles discutées aujourd’hui ont été générées par de véritables monstres : un couple de trous noirs de 29 et 36 masses solaires !

2. Comment détecter une onde gravitationnelle ?

Que se passe-t-il lorsqu’une onde gravitationnelle passe sur un objet ? Elle modifie sa longueur, de manière quasi imperceptible, de l’ordre de l’attomètre, soit 10-18 m ou encore un milliardième de milliardième de mètre. C’est environ mille fois plus petit que le noyau d’un atome !

Evidemment, il n’est pas question de mesurer de tels écarts avec un pied à coulisse. Pour les observer, les scientifiques ont bâti de gigantesques dispositifs de détection de plusieurs kilomètres de long, qui reposent sur le principe de l’interférométrie.

Grossièrement résumé, le principe est le suivant : un détecteur observe un faisceau laser qui est censé lui parvenir en permanence droit dans les yeux. Avant de parvenir jusqu’au détecteur, ce faisceau laser est réfléchi par des miroirs d’une quarantaine de kilos qui, s’ils sont déformés, même de manière infime, par le passage d’onde gravitationnelle, dévient la lumière du détecteur qui ne voit plus rien pendant une fraction de seconde.

Pour maximiser les chances de détection, on utilise des faisceaux les plus longs possibles (ceux de LIGO, l’installation qui a détecté la première onde gravitationnelle, font 4 km de long). De la sorte, le moindre petit décalage à un bout du faisceau (au niveau du miroir) sera amplifié de manière perceptible à l’autre bout (côté détecteur)

3. Pourquoi s’agit-il d’une découverte capitale ?

Les ondes gravitationnelles sont un outil supplémentaire dans la trousse des physiciens. Pour étudier notre Univers, ces derniers scrutent le cosmos en observant diverses ondes, de la lumière visible aux rayons X en passant par les infrarouges. Chaque type d’onde constitue un filtre qui donne des informations différentes, telles que la composition en gaz ou la température d’une région donnée.

Toutes ces ondes sont dites électromagnétiques. Mais les ondes gravitationnelles sont d’une toute autre nature : elles n’interagissent pas avec la matière, et devraient donc fournir une nouvelle « photo » de l’Univers.

En outre, étant générées par les éléments les plus massifs de l’Univers, il ne fait aucun doute qu’elles fourniront de précieuses informations sur ces gigantesques structures.

Et ce n’est qu’un début : car la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles s’attèlera à l’observation du fonds diffus de ces ondes, autrement dit de celles qui ont été créées lors des balbutiements de l’Univers. La saga ne fait que commencer.

Les ondes gravitationnelles, quès aco ?

Vidéo enregistrée sur France 3 le 11 février 2016 après 19h30 :

http://mai68.org/spip/spip.php?article10309

Einstein et la relativité - 12 février 2016 - Une théorie à l’épreuve des années :

Il y a cent ans, le 25 novembre 1915, un physicien encore inconnu du grand public, Albert Einstein, présente ses « Equations du champ de gravité » devant l’Académie prussienne des sciences. Une semaine plus tard, l’Académie publie un texte de seulement quatre pages, nourries d’équations : la théorie de la relativité générale est née, qui va révolutionner la physique, au point qu’on cherche encore à en vérifier certaines prédictions. Les ondes gravitationnelles, que l’on vient d’observer pour la première fois, en faisaient partie.

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