ONDES GRAVITATIONNELLES

L’effondrement gravitationnel d’un astre

Lorsqu’un astre suffisamment massif a épuisé son combustible nucléaire qui lui permettait de perdurer dans un état d’équilibre, son cœur s’effondre en une étoile à neutrons ; si la rotation de ce cœur le déforme suffisamment pour empêcher que le processus respecte une symétrie sphérique, une intense émission d’ondes gravitationnelles accompagne cet effondrement. L’étoile à neutrons qui en résulte peut à son tour s’effondrer pour donner naissance à un trou noir et rayonner une nouvelle bouffée d’ondes. Les étoiles à neutrons sont des objets extraordinairement denses puisqu’ils rassemblent dans une sphère de quelques kilomètres de diamètre une masse légèrement supérieure à celle du Soleil. Les trous noirs sont encore plus compacts. Les astrophysiciens se sont attachés à modéliser ces processus afin de déterminer l’amplitude des ondes au moment du processus d’émission et la durée de celui-ci. On estime que ces ondes ont une fréquence de l’ordre du kilohertz.

La coalescence de systèmes binaires

Les observations astronomiques montrent que les étoiles sont assez fréquemment en couples serrés, si bien que des systèmes binaires d’astres compacts – des étoiles à neutrons par exemple – apparaissent à la suite de leur évolution. Les forces gravitationnelles entre ces astres massifs, compacts et proches, sont suffisamment intenses pour que des processus catastrophiques de destruction par forces de marée ou de coalescence accélèrent leur évolution. On estime qu’environ trois événements de cette nature se produisent annuellement à moins d’une centaine de mégaparsecs (environ 0,3 milliard d’années-lumière) de la Terre. La fréquence des ondes gravitationnelles est directement reliée à la période orbitale du système qui les génère. Ainsi, un astre tombant selon une spirale de plus en plus rapidement vers son compagnon émettra une onde de fréquence de plus en plus élevée. Les calculs indiquent que, lors de la coalescence de deux astres très compacts, ces ondes ont une amplitude nettement supérieure à celles émises par effondrement gravitationnel d’un astre isolé de même masse. La fréquence de ces ondes dépend fortement de la masse et de la distance de la source ; elle peut varier de la fraction d’hertz au kilohertz.

Ces événements sont les prototypes des sources d’ondes gravitationnelles que les physiciens se sont attachés à détecter.

Les autres sources d’ondes gravitationnelles

Pour être complet, ajoutons deux autres types de sources d’ondes gravitationnelles. Des sources quasi stationnaires périodiques telles que des pulsars suffisamment asymétriques pourraient donner lieu à l’émission d’ondes certes faibles mais présentant l’avantage de pouvoir être observées longtemps. Par ailleurs, on s’attend à l’existence d’un fond stochastique d’ondes gravitationnelles dû à la superposition des ondes émises par les étoiles binaires normales, les supernovae extragalactiques et toutes sortes d’événements violents ou d’objets exotiques que la plupart des scénarios cosmologiques proposent d’associer aux tout premiers instants de l’univers après le big bang.