Il y a plus d’un siècle, en 1916 Albert Einstein, prédisait les ondes gravitationnelles dans le cadre de sa théorie sur la relativité générale.
Cette théorie décrit la gravitation comme étant une déformation de l’espace-temps.
Les physiciens ont mis plusieurs décennies pour développer les outils mathématiques afin d’étudier ces ondes et comprendre qu’il était possible de les détecter.
C’est en 1974 que 2 américains, Joseph Taylor et Russel Hulse, découvrent un système binaire qu’ils appellent PSR B 1913+16.
Ce système binaire est composé d’un pulsar, qui a la particularité d’émettre des ondes électromagnétiques avec une grande régularité. L’autre composante de ce système invisible avec les instruments actuels, mais dont les calculs aboutissent à une masse très importante connue très précisément, suggère qu’il s’agit d’une étoile à neutrons.
Ils ont démontré que la période de révolution du système diminuait lentement, car les deux corps se rapprochant perdaient de l‘énergie, en accord avec la théorie de la relativité générale. En effet la théorie prévoit que dans ce cas de figure, l’énergie perdue est absorbée par les ondes gravitationnelles.
Il restait donc à détecter directement ces ondes gravitationnelles !
Les trous noirs sont le stade ultime de l’évolution des étoiles les plus massives. Ils évoluent en couple. Ils orbitent l’un autour de l’autre et se rapprochent lentement en perdant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, un phénomène qui finit par s’accélérer jusqu’à les faire fusionner en un trou noir unique.
Un tel ‘’tourbillon’’ final a été observé 3 fois par les détecteurs LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en 2015 et en 2017, mais cette fois ce sont 3 instruments qui ont enregistré la détection des ondes gravitationnelles.
Ceux de LIGO installés, l’un situé en Louisiane (USA), l’autre dans l’état de Washington et le troisième, Advanced Virgo situé près de Pise en Italie. Ce dernier a été appelé Virgo en référence à l’amas de Galaxies dans la constellation de la Vierge (Virgo en latin), regroupant quelques 1500 galaxies.
Ce dernier évènement s’est produit à environ 1,8 milliards d’années lumière de la terre. Ces ondes gravitationnelles se sont propagées pendant 1,8 milliards d’années, avant d‘être détectées par l’interféromètre LIGO situé en Louisiane, puis 8/1000 de secondes plus tard, par celui situé dans l’état de Washington et enfin 6/1000 de sec. plus tard par le détecteur Advanced Virgo situé près de Pise.Ces différentes situations géographiques permettant une meilleure triangulation, dans le but d’une meilleure localisation de la région de l’espace.
Interféromètre LIGO dont les bras orthogonaux mesurent 4 km chacun
Interféromètre Advanced Virgo, dont les bras orthogonaux mesurent 3 km chacun.
Le principe de ces interféromètres est fondé sur la superposition de 2 faisceaux Laser.
Le rayon Laser est divisé par 2, A et B (voir croquis) , dont l’un est déphasé par rapport à l’autre. Ces 2 faisceaux sont envoyés dans 2 directions perpendiculaires, dans les bras (tunnels) dont la longueur est de plusieurs kilomètres.
Lorsque les faisceaux se recombinent ( 1 du croquis), les ondes déphasées se compensent et le faisceau résultant est plat. La photo-diode n’enregistre donc aucun signal.
Quand une onde gravitationnelle traverse le détecteur, elle modifie la longueur relative des bras de l’interféromètre suite à la déformation de l’espace temps ( 2 sur le croquis).
La recombinaison donne donc un signal et sa forme d’onde. Bien sûr la variation des bras est faible mais cependant mesurable par ces dispositifs. La précision de ces interféromètres est subatomique.
Exemple de signaux de détection d’ondes gravitationnelles, par les interféromètres de LIGO et leur superposition.
Schéma de principe de ces détecteurs. (Croquis):
AstroRomain 