De quoi s'agit-il?
Jeudi 11 février à 10h30, la National Science Foundation de Washington réunira des scientifiques de Caltech, du MIT et de la collaboration scientifique du LEU afin d'annoncer à la communauté scientifique les résultats des efforts déployés par l'observatoire laser interférométrique à ondes gravitationnelles (LIGO) pour détecter les ondes gravitationnelles. .
À la suite de rumeurs très précises sur la découverte possible de cette ondulation insaisissable dans l’espace extra-atmosphérique, il existe de grands espoirs que la coopération scientifique de LIGO mette fin au raisonnement fébrile et annonce la découverte d’ondes gravitationnelles.
Mais pourquoi est-ce si important? Et que sont les "ondes gravitationnelles"?
Les ondes gravitationnelles dans leur sens le plus général sont des pulsations dans l’espace. Albert Einstein a supposé, il y a un peu plus de 100 ans, que ces pulsations transportaient de l'énergie gravitationnelle provenant de l'accélération d'objets massifs dans l'espace. On peut imaginer des ondes de gravité sous forme de rides à la surface d’un étang; jetez un caillou dans l'eau et les vagues iront à la surface de l'objet tombé Les ondes gravitationnelles sont similaires: face à deux trous noirs (à titre d'exemple), et la "ondulation" ira dans l'espace, transférant de l'énergie du site de la collision à la vitesse de la lumière. Aucune observation prouvée de la présence d'ondes gravitationnelles n'a été prouvée, mais leur identification n'a pas été considérée comme possible ... jusqu'à récemment.
Qu'est-ce qui les rend?
Les trous noirs sont les objets les plus massifs et les plus denses existant dans l’Univers et sont probablement les centres d’activité des ondes gravitationnelles, en particulier lorsqu’ils se heurtent et se confondent. La fusion de trous noirs est considérée comme la clé du mécanisme de croissance de ces géants de la gravitation. Lorsque deux galaxies fusionnent leurs trous centraux, très lourds et noirs, ils commencent à tourner en spirale, puis entrent en collision pour former un grand trou noir. Dans ce cas, les ondes gravitationnelles proviennent de trous noirs en spirale avant leur collision. Plus les objets se rapprochent les uns des autres, plus l'énergie gravitationnelle des vagues augmente, entraînant de plus en plus l'énergie des trous noirs vers leur collision, sonnant comme une cloche après leur fusion. Un autre phénomène énergétique qui génère une éruption rapide d’ondes gravitationnelles est la supernovae. Quand une étoile massive manque d’hydrogène, elle explose, créant une énorme pression gravitationnelle. À la suite de l’explosion, il se produira une pulsation d’ondes gravitationnelles qui traverseront l’espace extra-atmosphérique.
Des objets gravitant rapidement peuvent également créer des ondes gravitationnelles, mais il existe une astuce. Seuls les énormes objets en rotation asymétriques (c'est-à-dire non symétriques) peuvent émettre des ondes gravitationnelles sous une forme périodique. Par exemple, une étoile à neutrons en rotation rapide avec une accumulation convexe de substances sur un côté de l'hémisphère «agite» l'espace-temps pour créer des ondes gravitationnelles. Cependant, une étoile à neutrons parfaitement symétrique ne créera pas d'ondes gravitationnelles. La meilleure façon de comprendre cela est d’imaginer une balle de forme ovale en rotation à la surface d’une piscine; pendant que la balle tourne, elle crée de grosses vagues à la surface de l'eau. Une balle ronde, par contre, créera de subtiles ondulations à la surface.
Le Big Bang, vraisemblablement, a également provoqué un puissant courant d'ondes gravitationnelles, à l'origine de l'Univers, il y a environ 14 milliards d'années. Cependant, il est peu probable que ces ondes gravitationnelles initiales soient détectées, car leur signal est trop faible dans l'univers moderne. Mais des tentatives sont en cours pour les détecter dans la "lueur de fond" du Big Bang. Un tel projet est le télescope BICEP2 au pôle Sud, qui recherche un type très spécifique de polarisation dans le fond cosmique hyperfréquence, probablement causé par les ondes gravitationnelles primaires. Malgré les récentes annonces, ces signaux n'ont pas encore été détectés.
Comment pouvons-nous les détecter?
En 2002, l'observatoire laser interférométrique à ondes de gravitation interférométriques (LIGO) a entamé des travaux sur une tâche spécifique: la détection directe des ondes de gravitation traversant notre volume d'espace local. Les ondes gravitationnelles sont transmises dans l’espace et peuvent être détectées nuit et jour dans n’importe quelle partie du ciel, en passant par la nébuleuse, les étoiles et même les planètes. En théorie, ces ondes traversent constamment l’espace extra-atmosphérique et voyagent absolument librement. Ces ondes peuvent être partout, mais leur effet est étonnamment faible, et LIGO a été conçu pour sonder leur existence éventuelle. LIGO consiste en deux stations d'observation situées à une distance de deux mille kilomètres l'une de l'autre - l'une à Washington, l'autre en Louisiane. Les deux stations sont identiques et possèdent deux longs tunnels en forme de L. Chaque tunnel est long de 2,5 miles. L'angle «L» contient un laboratoire d'optique sophistiqué utilisant des lasers pour détecter de minuscules fluctuations de distance causées par le passage d'une onde gravitationnelle. En faisant rebondir de manière répétée les lasers le long du tunnel, puis en comparant les faisceaux, les équipements LIGO peuvent détecter le plus petit changement de phase. Cette technique extrêmement précise s'appelle l'interférométrie. Tout changement de phase peut signifier une légère courbure de l'espace-temps - un changement minime de la distance équivalent à 1/1000 de la largeur d'un proton.
Jusqu'à présent, LIGO ne pouvait détecter aucun signal d'ondes gravitationnelles, mais avec la mise à niveau vers Advanced LIGO, la situation pourrait changer.
Avoir deux stations est crucial pour Advanced LIGO. Si une station détecte une modification de l'espace-temps et l'autre non, les scientifiques peuvent exclure la propagation des ondes gravitationnelles. Ces fausses alarmes peuvent être causées par les vibrations d'un camion qui passe ou par des vents violents lors d'une tempête. L’existence d’un signal gravitationnel n’est confirmée que si deux stations enregistrent le même événement.
D'autres détecteurs d'ondes gravitationnelles terrestres, tels que Virgo (Italie) et GEO 600 (Allemagne), utilisent également l'interférométrie pour capturer ces infimes oscillations de l'espace-temps. Récemment, la mission LISA Pathfinder a été lancée pour tester des technologies clés à l'aide de l'interféromètre spatial de nouvelle génération (eLISA), l'interféromètre spatial Evolution.
Pourquoi sont-ils si importants?
La confirmation de la détection des ondes gravitationnelles constituera la fusion finale de la physique théorique et du développement technologique. Les ondes gravitationnelles naissent directement de la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui décrit la nature de l'espace et du temps. Il est étonnant qu’il ya 100 ans, Einstein semait ces perturbations dans l’espace-temps, afin de pouvoir, dans un siècle, développer une technologie et tenter de la détecter. Leur découverte confirmera une autre hypothèse de la théorie générale de la relativité et nous aidera à l'avenir à trouver des réponses à certaines des énigmes les plus déplaisantes auxquelles sont confrontés les astrophysiciens et les cosmologues.
La détection directe des ondes gravitationnelles est sans aucun doute un événement digne du prix Nobel et la communauté scientifique ne doute pas que cet exploit ira de pair avec la découverte du boson de Higgs en 2012 et peut-être même avec le concept d'Edwin Hubble sur l'expansion de l'Univers en 1929.
Il est curieux qu'il ait suggéré que différents phénomènes cosmiques créent des ondes gravitationnelles de fréquence différente. L'astronomie moderne se concentre sur l'utilisation du spectre électromagnétique pour explorer l'univers. Traditionnellement, la partie visible de la lumière du spectre électromagnétique était utilisée par les astronomes pour ouvrir des planètes et même pour regarder dans les galaxies voisines. Avec le développement de méthodes astronomiques et la modernisation de la technologie, les astronomes ont commencé à étudier des ondes de fréquences différentes, telles que les rayons X, pour observer les événements énergétiques autour des trous noirs et le rayonnement infrarouge, pour examiner les nébuleuses formant des étoiles.
Mais la détection directe des ondes de gravité constituera un changement de paradigme. Avec un nombre suffisant de détecteurs d'ondes gravitationnelles, nous pourrons «voir» des objets et des objets qui restent invisibles au spectre électromagnétique. Par exemple, deux trous noirs en collision ne peuvent pas générer beaucoup de rayonnement électromagnétique, mais ils peuvent créer un signal d'ondes gravitationnelles énorme. Et, comme le rayonnement électromagnétique, la fréquence des ondes gravitationnelles décrira la nature des phénomènes qui les génèrent. À terme, nous pourrons créer une carte gravitationnelle de l’univers proche avec des phénomènes temporels, tels que les supernovae, et des pulsations périodiques issues de la rotation de trous noirs. Les ondes gravitationnelles astronomiques vont révolutionner notre perception de l'univers.
