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Les ondes gravitationnelles, messagers de l’invisible

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Les ondes gravitationnelles, messagers de l’invisible

En février 2016, l’annonce avait mis le monde scientifique en ébullition : les collaborations LIGO et Virgo annonçaient avoir détecté pour la première fois une onde gravitationnelle, confirmant une prédiction majeure de la théorie de la relativité générale énoncée par Albert Einstein en 1915. Une deuxième observation faite au lendemain de Noël 2015, elle aussi attribuée à la fusion de deux trous noirs, vient confirmer cette découverte et apporte de nouvelles informations. Les explications de Pierre-François Cohadon, maître de conférences ENS et membre de la collaboration Virgo et de l’équipe « Optomécanique et mesures quantiques » au laboratoire Kastler Brossel (CNRS/UPMC/ENS/Collège de France).

 

Vue aérienne du détecteur Advanced Virgo, à côté de Pise. © Virgo / Nicola Baldocchi

 

Albert Einstein avait donc vu juste. Mais que sont les ondes gravitationnelles ?

Pierre-François Cohadon. Les trous noirs correspondent au stade ultime de l’évolution des étoiles les plus massives. Si deux d’entre eux se retrouvent à proximité, ils orbitent l’un autour de l’autre et se rapprochent lentement en perdant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Puis le phénomène s’accélère brusquement pour former un trou noir unique par fusion. Les ondes gravitationnelles sont les témoins exceptionnels de tels phénomènes violents qui se produisent dans l’Univers, et donc certains sont indétectables par l’observation optique.

 

Le deuxième signal enregistré est plus faible que le premier. Peut-on espérer observer d’autres événements similaires dans les prochains mois ?

P.-F. C. La première observation avait déjà été une réelle surprise. Après plusieurs années d’amélioration des détecteurs Advanced LIGO et Advanced Virgo, nous espérions bien sûr détecter une onde gravitationnelle, mais nous nous attendions plutôt à observer la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette fois encore, il s’agit à 99,99999 % de la fusion de deux trous noirs, mais la configuration est différente : les trous noirs étant moins massifs, le signal observé est effectivement plus faible, mais il a duré plus longtemps (plus d’une seconde contre à peine 2 dixièmes de seconde pour le précédent). L’observation d’un plus grand nombre d’orbites avant la fusion a ainsi permis de tester plus précisément la théorie de la relativité générale. Après de nouvelles améliorations, l’ensemble des détecteurs doit être remis en fonctionnement à l’automne prochain, avec une sensibilité encore améliorée. Avoir déjà observé deux événements en à peine 50 jours de prise de données nous donne de grands espoirs pour la prochaine campagne.

 

L’implication du LKB dans la collaboration Virgo date de 2009. Quel est son rôle ?

P.-F. C. Le signal émis par une onde gravitationnelle est tellement faible (il ne déplace les miroirs des interféromètres que d’un milliardième de milliardième de mètre à son paroxysme !) qu’il est facilement couvert et parasité par du bruit. Notre équipe « Optomécanique et mesures quantiques » s’intéresse précisément aux bruits liés à la nature quantique de la lumière et aux limites de sensibilité dans les interféromètres gravitationnels. Nous développons une source lumineuse innovante dont les bruits quantiques sont comprimés (le squeezing) et qui a vocation à terme à être implémentée sur l'interféromètre Advanced Virgo pour en améliorer encore la sensibilité.

 

À l’évidence, l’observation des ondes gravitationnelles va devenir l’un des meilleurs moyens d’exploration de l’Univers. Advanced LIGO et Advanced Virgo qui devraient redémarrer à l’automne 2016 nous promettent encore de belles observations. Mais il faudra patienter jusqu’en 2017.

Pour en savoir plus :

Équipe « Optomécaniques et mesures quantiques »Nouvelle fenêtre du LKB

Site officiel de VirgoNouvelle fenêtre

PhD Comics « Expliquez-moi les ondes gravitationnelles »Nouvelle fenêtre

 

Références :

La publication scientifique des collaborations LIGO et Virgo annonçant cette observation a notamment été cosignée par 72 scientifiques de différents laboratoires français :

  • le laboratoire Kastler Brossel (CNRS/UPMC/ENS/Collège de France) ;
  • le laboratoire « Astroparticule et cosmologie » (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris) ;
  • le laboratoire « Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux » (CNRS/Observatoire de la Côte d’Azur/Université Nice Sophia Antipolis) ;
  • le laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud) ;
  • le laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc) ;
  • le laboratoire des matériaux avancés (CNRS).

GW151226: Observation of a Binary Black Hole Merger, the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration. Physical Review Letters, en ligne le 15 juin 2016.

Observation of binary black hole mergers in advanced LIGO’s first run, the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration. En ligne sur ArXiv le 15 juin 2016.



15/06/16