PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2017

Des déformations très difficiles à observer

La théorie de la relativité générale assimile le champ gravitationnel des physiciens à la géométrie – plus précisément à la courbure – de l’espace-temps. Ce dernier possède des propriétés analogues à celles d’un milieu élastique. Il peut donc se déformer et les déformations de sa courbure peuvent se propager : ce sont les ondes gravitationnelles. Alors qu’une onde électromagnétique comme la lumière (c'est-à-dire une propagation du champ électromagnétique) est engendrée par des charges électriques mobiles, une onde gravitationnelle est créée par un mouvement très rapide et asymétrique d’objets très massifs : un phénomène nécessairement très violent et d’échelle astronomique, typiquement une rencontre d’étoiles massives ou de trous noirs. Les quatre premières détections d’ondes gravitationnelles ont ainsi été produites chacune par la coalescence (fusion) de deux trous noirs (différents pour chaque détection) : à chaque fois, deux trous noirs orbitent d’abord l’un autour de l’autre, de manière de plus en plus resserrée, puis entrent en collision et fusionnent de façon à former un trou noir encore plus gigantesque qui oscille avant de s’équilibrer. Les trois étapes de ce phénomène engendrent des ondes gravitationnelles de caractéristiques particulières, qui avaient été calculées par les physiciens – notamment par le Français Thibault Damour (qui a reçu, une semaine avant l’attribution du prix Nobel de physique, la médaille d’or du CNRS 2017) et Kip Thorne. Identifiées dans les signaux enregistrés, elles ont permis de reconnaître le processus en jeu.

Mais, malgré la violence du phénomène générateur, les ondes produites sont très difficiles à détecter. Leur passage sur la Terre se traduit par de minuscules oscillations périodiques de l’espace lui-même. Le principe de la détection consiste donc à enregistrer les infimes variations de distance entre deux petits objets massifs entraînés par ces oscillations. Le principal problème est la faiblesse du déplacement relatif, qui constitue ce que l’on appelle l’amplitude de l’onde. Les détecteurs LIGO et Virgo sont capables de déceler des amplitudes très faibles (h de l’ordre de 10^-21), ce qui définit la sensibilité de ces instruments. Cela correspond à un déplacement de 10^-16 mètre (moins que la dimension d’un noyau d’atome) entre deux points séparés de 100 kilomètres et donne la mesure de l’exploit à réaliser. L’onde est aussi caractérisée par sa fréquence (comme une onde électromagnétique), ici voisine de quelques centaines d’hertz (c'est-à-dire des centaines de vibrations de l’espace par seconde).