Une onde gravitationnelle est une ondulation invisible et rapide dans l’espace. Détectées directement depuis peu d’années, les ondes gravitationnelles ont déjà permis de faire de grands progrès dans la connaissance de l’Univers et de ses phénomènes les plus extrêmes.

L’astronomie gravitationnelle a fait des bonds de géant en quelques années à peine. Prédites dans la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, elles ont été découvertes pour la première fois le 14 septembre 2015. Depuis, le potentiel scientifique de ces messagers cosmiques se révèle peu à peu.

Utilisées comme compléments d’autres types d’observations astronomiques, ou seules pour observer des phénomènes invisibles, ces oscillations permettent de faire de grands progrès. 50 séries d’ondes gravitationnelles ont été détectées par les observatoires LIGO (États-Unis) et Virgo (Italie).

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

Sur son site SpacePlace, qui parle d’espace aux plus jeunes, la Nasa propose une définition la plus courte et simple possible de l’onde gravitationnelle : « une ondulation invisible (mais incroyablement rapide) dans l’espace ».

Comment se propagent les ondes gravitationnelles ?

Ces ondulations voyagent à la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 km par seconde. Lors de leur passage, ces oscillations produisent d’infimes déformations, une distorsion de l’espace.

En 1916, Albert Einstein a soupçonné l’existence de ces ondes dans sa célèbre théorie de la relativité générale. Il avait prédit que de telles oscillations pourraient se propager dans toutes les directions à partir de leurs sources. Ces ondulations porteraient potentiellement des informations importantes sur la gravité.

Quelle est la source des ondes gravitationnelles ?

Les ondes gravitationnelles sont provoquées par « certains des processus les plus violents et énergétiques de l’Univers », décrit l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO. Les plus puissantes ondes gravitationnelles ont pour origine des objets qui se déplacent extrêmement rapidement. Cela peut provenir :

  • D’étoiles qui explosent en supernova,
  • De deux grosses étoiles en orbite l’une autour de l’autre,
  • De deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre et qui fusionnent.

Même si ce sont des événements très énergétiques, la détection des ondes gravitationnelles qu’ils émettent est complexe. Ces objets sont très éloignés de la Terre, et les ondes peuvent particulièrement être faibles quand elles nous parviennent.

Dans cette visualisation, deux trous noirs en orbite l'un autour de l'autre qui s'apprêtent à fusionner émettent des ondes gravitationnelles. // Source : N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration
Dans cette visualisation, deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre qui s’apprêtent à fusionner émettent des ondes gravitationnelles. // Source : N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Quand les a-t-on détectées ?

Le tout premier indice de l’existence des ondes gravitationnelles date de 1974 (20 ans après la mort d’Einstein). À l’aide du radiotélescope d’Arecibo, deux astronomes ont pu découvrir le premier pulsar binaire, PSR B1913+16. Ce système est composé de deux éléments, dont une étoile à neutrons en rotation particulièrement rapide. C’est justement dans ce genre de système que l’on s’attendait, en vertu de la théorie d’Einstein, à ce que soient émises des ondes gravitationnelles.

La première véritable preuve de l’existence des ondes gravitationnelles a été obtenue en 2015, par l’intermédiaire de l’observatoire LIGO. Le 14 septembre, l’observatoire a détecté des ondulations dans l’espace-temps. Elles avaient été provoquées par une collision entre deux trous noirs, à une distance de 1,3 milliard d’années-lumière. Cette détection du signal GW150914 a marqué une très grande avancée scientifique : pour la première fois, il devenait possible d’en savoir plus sur l’Univers en étudiant autre chose que des ondes lumineuses, en détectant des ondes de gravité.

Comment sont détectées les ondes gravitationnelles ?

Le passage d’une onde gravitationnelle provoque en quelque sorte des compressions et des étirements de l’espace. Ce sont précisément ces oscillations infimes que l’on peut tenter de détecter sur Terre.

Comment fait-on concrètement ? L’animation suivante montre bien comment un observatoire d’ondes gravitationnelles comme LIGO fonctionne. Il faut imaginer deux « bras » de 4 kilomètres. Si une onde gravitationnelle passe, elle va provoquer une légère modification de leur longueur. À l’aide de lasers, de miroirs et d’autres instruments, l’observatoire détecte ces subtiles modifications.

Le fonctionnement d'un observatoire d'ondes gravitationnelles. // Source : Nasa
Le fonctionnement d’un observatoire d’ondes gravitationnelles. // Source : Nasa

LIGO, situé aux États-Unis, n’est pas le seul observatoire d’ondes gravitationnelles. En Italie, on trouve aussi Virgo (LIGO et Virgo sont d’ailleurs liés par un accord qui inclut l’échange des données scientifiques recueillies). Plusieurs projets d’observatoires sont envisagés, comme TAMA au Japon et GEO600 en Allemagne. Il y a même un projet de premier observatoire d’ondes gravitationnelles dans l’espace, sous le nom de LISA, mené par l’Agence spatiale européenne (ESA).

Comment sont-elles nommées ?

Tout comme les exoplanètes et d’autres objets astronomiques, les signaux d’ondes gravitationnelles sont nommés en suivant une codification. Les détections réalisées avec LIGO et Virgo sont toujours nommées comme ceci :

  • D’abord, les lettres « GW », initiales de « gravitational wave » (ondes gravitationnelles en anglais),
  • Puis la date de détection, avec un format AAMMJJ, soit les deux derniers chiffres du mois de l’année, le numéro du mois et le jour du mois.

Ainsi, pour la détection inédite survenue en septembre 2020, le nom qui a été retenu est GW190521. Ce signal est marquant, car il s’agissait pour la première fois d’une preuve de l’existence de trous noirs intermédiaires.

Quand surviendra la prochaine onde gravitationnelle ?

Il est malheureusement difficile d’anticiper la prochaine détection d’onde gravitationnelle. Toutefois, on peut s’attendre à d’autres découvertes dans les années à venir. Des résultats d’une campagne d’observation de plusieurs observatoires dans le monde, dont l’Observatoire nord-américain Nanohertz pour les ondes gravitationnelles, ont notamment été dévoilés le jeudi 29 juin 2023 : les scientifiques ont capté le brouhaha des plus grands trous noirs, grâce à des ondes gravitationnelles à très basses fréquences.

Les premières détections d’ondes gravitationnelles ont permis d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur notre Univers. Grâce à la détection de ces oscillations, l’astronomie a connu une véritable révolution. En quelques années à peine, les domaines de la physique et de l’astrophysique ont profité de ces découvertes. Le potentiel de l’astronomie gravitationnelle est énorme pour les décennies à venir, avec les projets d’améliorer les observatoires existants et d’en construire de nouveau, pour observer depuis la Terre et peut-être un jour depuis l’espace, ces ondulations.

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