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Espace

Ondes gravitationnelles: coup de fouet pour l’astronomie

04-09-2019

Représentationdela fusion d’étoiles à neutrons détectée le 17 août 2017. Ces corps sont si denses que les atomes s’y écrasent sous l’effet de la gravité et que protons et électrons fusionnent pour former des neutrons tassés les uns contre les autres. Image: NSF/LIGO/Université d’État de Sonoma/A. Simonet

La détection des ondes gravitationnelles, en 2015, a secoué le monde de l’astronomie. Depuis, les découvertes pleuvent : en plus d’observer certains phénomènes au télescope, les chercheurs peuvent maintenant déceler leurs vibrations.

Wooohooop ! À tout moment du jour (et de la nuit), le téléphone cellulaire de Daryl Haggard peut émettre ce bref signal sonore qui monte dans les aigus. Un nouveau message texte ? Pas tout à fait. Le signal vient de beaucoup plus loin : quelques millions d’années-lumière pour être précis. « À chaque wooohooop, je sais qu’il y a deux trous noirs qui viennent de fusionner quelque part dans l’Univers », s’amuse l’astronome de l’Institut spatial de McGill à Montréal.

Comme des milliers d’autres chercheurs et de curieux, elle reçoit presque en temps réel les notifications des deux détecteurs LIGO et de leur cousin Virgo. Ces immenses instruments situés respectivement aux États-Unis et en Italie captent les ondes «gravitationnelles», produites entre autres lorsque deux trous noirs se télescopent.

« Son » de la coalescence de deux trous noirs. Source: LIGO

Car ces cataclysmes ont beau avoir lieu au fin fond du cosmos, ils sont suffisamment violents pour qu’on en perçoive l’écho. Ils provoquent des déformations de l’espace-temps (voir l’encadré plus bas), qui se propagent telles des vaguelettes à la vitesse de la lumière, et finissent par faire tressauter les détecteurs terrestres. Sur les détecteurs LIGO, qui font quatre kilomètres de long, le passage d’une telle onde gravitationnelle représente une compression ou un étirement d’environ un millionième de milliardième de millimètre…, soit 1 000 fois moins que la taille d’un proton ! Assez, toutefois, pour faire indirectement sonner téléphones et tablettes partout sur la planète environ une fois par semaine. « C’est incroyablement excitant. On se ronge les ongles en se demandant quand va survenir le prochain signal ! » assure Daryl Haggard en riant.

Pour cette spécialiste des trous noirs, comme pour tous les astrophysiciens, la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015, un siècle après leur description par Albert Einstein, a été une véritable révolution. Imaginez : après des centaines d’années à scruter le ciel avec des instruments optiques, les scientifiques réussissent désormais à percevoir les vibrations de l’Univers. Et les ondes gravitationnelles portent en elles une flopée d’informations inédites sur les évènements qui les ont créées. Ce tout nouveau moyen de sonder l’Univers a propulsé l’astronomie dans une nouvelle ère : celle du «multimessager», où les signaux venus du cosmos peuvent être à la fois électromagnétiques et gravitationnels.

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Les ondes d’Einstein

Les ondes gravitationnelles sont un phénomène évoqué par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale. Il avait alors introduit la notion d’espace-temps, selon laquelle la trame de l’Univers est une sorte de tissu élastique qui « ploie » sous la masse des corps célestes. Le physicien avait prédit que certains évènements extrêmement énergétiques pouvaient engendrer des « rides de courbure » dans l’espace-temps : de quoi secouer le « tissu » et le faire vibrer comme une corde de violon ou, plus prosaïquement, un bloc de gelée, en étirant et contractant les distances au passage. Seuls les phénomènes extrêmes du cosmos sont susceptibles de produire de telles secousses : les supernovas, des explosions d’étoiles ou encore les couples d’astres très denses (étoiles à neutrons ou trous noirs) qui accélèrent en orbitant l’un autour de l’autre avant de s’unir. Plus l’évènement est violent et proche de la Terre, plus les chances d’en déceler les ondes sont grandes. Il a fallu beaucoup de patience et d’ingéniosité pour détecter ces ondes dites « gravitationnelles », qui s’apparentent à un murmure quasiment inaudible. Les trois Américains à l’origine du projet LIGO ont d’ailleurs reçu le prix Nobel de physique en 2017.

Image: NASA

La cerise sur le gâteau

Le tournant date concrètement du 17 août 2017. Le trio LIGO-Virgo reçoit alors un signal fort de plusieurs dizaines de secondes dont la « morphologie » est caractéristique d’une fusion d’étoiles à neutrons. Ces corps sont si denses que les atomes s’y écrasent sous l’effet de la gravité et que protons et électrons fusionnent pour former des neutrons tassés les uns contre les autres.

Contrairement aux trous noirs, les étoiles à neutrons sont constituées de matière visible. Et justement, ce jour-là, moins de deux secondes après le signal gravitationnel, le télescope spatial Fermi de la NASA lance l’alerte : il a capté un sursaut de rayons gamma, sorte de flash de lumière très énergétique. « Les astrophysiciens de partout dans le monde essayaient de savoir si les deux signaux étaient liés au même évènement », se souvient Daryl Haggard.

C’était le cas : en se percutant, à 130 millions d’années-lumière de la Terre, les deux étoiles à neutrons ont donné lieu à une formidable explosion, appelée « kilonova », la première jamais observée. Grâce aux indications « géographiques » de LIGO-Virgo, le nouveau point lumineux a pu être repéré dans la galaxie NGC 4993, 11 heures après l’arrivée des ondes gravitationnelles, par un télescope au Chili. Dans les jours et les semaines qui ont suivi, plusieurs types de rayonnement électromagnétique ont pu être captés par 70 observatoires et télescopes dans le monde : lumière visible, infrarouge, ultraviolet, ondes radio… L’équipe de Daryl Haggard, elle, détectera des rayons X avec le télescope spatial Chandra neuf jours plus tard, produits par l’interaction entre la matière éjectée avec fracas par la kilonova et la matière interstellaire.

Ce miroir du détecteur Virgo pèse 42 kg : il est suspendu à quatre fines fibres de silice fondue, qui sont collées sur les côtés du miroir. Les améliorations apportées en 2018, notamment aux miroirs, ont permis d’augmenter la sensibilité de Virgo d’un facteur 2. Image: EGO/La collaboration VIRGO/Perciballi

Le fait d’observer ce phénomène conjointement à travers la « fenêtre » des ondes gravitationnelles et celle des ondes lumineuses a mis les scientifiques en émoi. Un peu comme s’ils avaient soudainement ajouté la bande son à un film muet. « Cette combinaison est extrêmement puissante. Avant, on n’avait que la moitié de l’histoire ! » s’exclame Daryl Haggard.

Le mode multimessager leur permet de valider des tonnes de modèles et de théories invérifiables jusqu’ici, dans des territoires inexplorés de la physique. À elle seule, cette fusion d’étoiles a engendré plus de 800 publications scientifiques. Et la moisson se poursuit ! Deux ans plus tard, des émissions d’ondes radio sont toujours perceptibles, produites par des jets vraisemblablement issus du « petit » trou noir né de la fusion.

« Cet évènement nous a appris énormément sur l’évolution stellaire, sur la physique de ce type d’explosion, sur la nature des éléments chimiques créés, et ce n’est que la pointe émergée de l’iceberg », résume Chad Hanna, astrophysicien à l’Université de Pennsylvanie. La combinaison des « messagers » cosmiques a démontré que la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles est égale à celle de la lumière, ce qui permet d’éliminer certaines théories de la gravitation, élaborées pour se passer des facteurs gênants que sont l’énergie noire et la matière noire. Un bond théorique aussi rapide que majeur !

Et ce n’est pas tout. « Par le signal électromagnétique, nous savons où se trouve la galaxie hôte et quelle est la vitesse d’éloignement de la kilonova. En combinant ces données avec l’indication de distance fournie par les ondes gravitationnelles, nous avons pu effectuer une estimation de la constante de Hubble », se réjouit Chad Hanna.

Cette constante de Hubble quantifie la vitesse d’expansion de l’Univers et sème la discorde parmi ceux qui essaient de la calculer et qui n’obtiennent pas tous le même résultat. La nouvelle estimation manque encore de précision, mais l’observation d’autres kilonovas aidera peut-être un jour à trancher le débat. Bref, on l’aura compris, l’astronomie multimessager, c’est du solide. « C’est un domaine captivant, qui est bien plus que la somme de ses parties ! » déclare le chercheur.

Caltech/MIT/LIGO Lab; Collaboration VIRGO/CCO 1.0

Comment fonctionnent les détecteurs ?

Détecter les ondes gravitationnelles relève du miracle technique. L’exploit est accompli par des « interféromètres » gigantesques dont le principe est assez simple, du moins en théorie. Un laser est divisé en deux faisceaux (1) qui parcourent deux tubes perpendiculaires longs de trois kilomètres (pour Virgo, en Italie (2)) et de quatre kilomètres (pour les deux LIGO, situés en Louisiane et dans l’État de Washington (3)). Au bout du tube à vide, un miroir réfléchit la lumière vers le point de départ et les deux faisceaux « se recombinent ». Si une onde gravitationnelle passe, elle étire l’espace dans l’un des bras et le raccourcit dans l’autre ; les deux faisceaux seront donc légèrement décalés.

Il a fallu des années pour calibrer les instruments, qui ont été construits au tournant des années 2000. De 2005 à 2011, LIGO et Virgo ont alterné les périodes de prise de données et les périodes d’optimisation sans jamais rien déceler. Ce sont finalement les améliorations apportées dans les années 2010 qui ont permis de capter les premiers signaux. La sensibilité avait été multipliée par 10 par rapport aux premières versions. Depuis le 1er avril, c’est encore mieux : les chercheurs reçoivent environ un signal par semaine.

Comment, une fois les oscillations repérées, les astrophysiciens peuvent-ils comprendre ce qu’ils viennent d’« entendre » ? En fait, il existe des modélisations de tous les types de cataclysmes capables de provoquer ces vibrations d’espace-temps : on sait donc à quoi on a affaire en regardant la morphologie du signal. « Les oscillations sont produites par deux objets massifs qui tournent l’un autour de l’autre en se rapprochant avant d’entrer en collision. (4) La durée du signal, son amplitude, la rapidité avec laquelle la fréquence augmente dépendent de la masse des objets et d’autres paramètres, qui sont imprimés dans cette signature », explique le physicien Benoît Mours.

Alertes en direct

Les scientifiques en sont maintenant à la troisième campagne d’observation LIGO-Virgo, qui durera au moins un an. Entre le début du mois d’avril et la fin mai, Daryl Haggard avait déjà reçu une douzaine d’alertes.

Il faut dire que les détecteurs fonctionnent mieux que jamais, après avoir subi une série d’améliorations destinées à accélérer le rythme des découvertes, mentionne Benoît Mours, chercheur au Centre national de la recherche scientifique à Annecy. « Dans Virgo, on a changé la façon dont on suspend les miroirs : ils étaient accrochés avec des fils d’acier et ils le sont maintenant avec des fibres de silice, plus stables. On a aussi augmenté la puissance du laser et fait la chasse à tous les bruits techniques. On essaie également de réduire l’infime fraction de lumière qui est diffusée dans toutes les directions et qui risque de s’introduire de nouveau dans le faisceau », explique-t-il.

Au final, la sensibilité des deux détecteurs LIGO a été améliorée d’environ 50 % et celle de Virgo, qui partait de plus loin, d’un facteur 2. « On peut déjà dire que cela fonctionne comme prévu ! Quand on a passé des dizaines d’années à espérer voir le premier évènement et qu’on en détecte 12 en moins de deux mois, on mesure le chemin parcouru », souligne le responsable français de la collaboration Virgo.

Pour ne pas passer à côté d’un autre spectacle « vibrations et lumière », les alertes de la troisième période d’observation LIGO-Virgo sont publiques et émises quasiment en temps réel grâce à des algorithmes qui analysent continuellement les signaux, histoire de permettre aux astronomes de se ruer sur leurs télescopes le cas échéant. Une dizaine de collisions d’étoiles à neutrons pourraient être décelées au cours de l’année, selon les estimations. « On pense en avoir perçu une en avril dernier, mais trois fois plus éloignée que celle de 2017 », précise Chad Hanna. De plus, aucune « contrepartie » lumineuse n’a pu être repérée, rendant l’évènement moins palpitant que celui du 17 août 2017.

Chad Hanna fait partie des rares scientifiques qui supervisent les algorithmes et vérifient que chaque wooohooop détecté est bel et bien dû au passage d’une onde gravitationnelle. « On s’assure que tout semble normal, que les détecteurs fonctionnaient bien, sinon on rétracte le signal », dit ce pivot de l’équipe LIGO, qui ne lâche jamais son téléphone.

Ça n’a l’air de rien, mais il faut une minutie extrême pour confirmer qu’un signal si ténu n’est pas du bruit de fond. Le fait d’avoir trois détecteurs en fonction aide à valider les données en plus de permettre de localiser la source des ondes gravitationnelles sur la voûte céleste. « Jusqu’à maintenant, on a réussi à faire fonctionner les trois détecteurs simultanément environ 40 % du temps et au moins deux d’entre eux 80 % du temps », indique Chad Hanna. Si tout se passe bien, le nouveau détecteur KAGRA, situé au Japon, se joindra aux trois autres fin 2019, augmentant encore les chances de gagner le gros lot. Des détecteurs beaucoup plus massifs avec des bras de 10 ou 40 km de long pourraient aussi voir le jour à l’horizon 2030, même s’il reste à les financer.

« Nous attendons avec impatience la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons, reprend Daryl Haggard, à l’Institut spatial de McGill. Un tel évènement émettrait probablement de la lumière en plus des ondes gravitationnelles, puisque la matière de l’étoile se ferait déchiqueter et chauffer avant de disparaître dans le trou noir. » Là encore, un signal évocateur a été repéré en avril dernier, mais il était trop léger pour convaincre les spécialistes.

« Les étoiles à neutrons sont des objets si extrêmes, si différents de ce que l’on connaît sur Terre que ces observations sont les seuls moyens dont on dispose pour comprendre ce qui se cache sous leur surface », détaille l’astrophysicienne. Il faut dire que les atomes connus n’ont pas grand-chose à voir avec l’état de la matière à l’intérieur de ces astres, dont une seule cuillérée pèserait des centaines de millions de tonnes ! Et les télescopes, même les plus puissants, ne peuvent rien dévoiler de l’intimité de ces sphères dont le rayon ne dépasse pas quelques kilomètres…

Quant à Chad Hanna, lorsqu’on lui demande ce qu’il espère le plus chaque fois que son cellulaire lui signale un nouveau cataclysme lointain, il n’hésite pas longtemps. « Puisque les ondes gravitationnelles sont une fenêtre d’observation totalement nouvelle, ce serait dommage qu’on ne voie que des choses auxquelles on s’attend. J’aimerais tellement tomber sur quelque chose d’inconnu ! » Après tout, on vient seulement de mettre nos écouteurs. Il n’y a plus qu’à monter le son !

>>> À lire aussiOndes gravitationnelles : la prochaine génération de détecteurs

Image: Shutterstock.com

Tout l’or du monde

En espionnant la kilonova sous tous ses angles, les scientifiques ont aussi résolu une énigme vieille de plusieurs décennies quant à l’origine des éléments lourds dans l’Univers. Prenez l’or, par exemple, dont sont faits votre collier ou votre alliance. D’où vient-il ? Les noyaux des atomes d’or possèdent beaucoup de neutrons (presque quatre fois plus que les atomes de fer) et ils ne peuvent pas être créés par les réactions de fusion au cœur des étoiles, contrairement au carbone, à l’azote ou au fer justement.

«L’évènement du 17 août 2017 a prouvé que ce sont des fusions d’étoiles à neutrons qui ont produit la plupart des métaux précieux et des éléments lourds qu’on trouve sur Terre. Cette explosion à elle seule a éjecté 10 fois la masse de la Terre en or, 50 fois sa masse en platine et 5 fois celle en uranium », a expliqué Brian Metzger, astrophysicien à l’Université Columbia, au congrès 2019 de l’Association américaine pour l’avancement des sciences. Comment ? Lors de l’explosion, une fraction des neutrons sont éjectés et viennent se combiner avec les noyaux lourds, comme le fer et le nickel, présents dans la croûte de ces astres, pour former des atomes plus lourds encore.

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