Comment LIGO a découvert les ondes gravitationnelles

Plus d'un siècle après la prédiction d'Albert Einstein sur les ondes gravitationnelles (des ondes dans l'espace-temps causées par de violentes collisions cosmiques), les scientifiques de LIGO confirment leur existence à l'aide de grands détecteurs extrêmement précis. L'astrophysicienne Gabriela González de l'équipe de collaboration internationale LIGO nous raconte comment s'est produit cette incroyable découverte (récompensée d'un prix Nobel) et ce qu'elle signifie pour notre compréhension de l'univers.

Il y a un peu plus de cent ans,

en 1915,

Einstein publiait sa théorie
de la relativité générale,

qui porte un nom un peu bizarre,

mais c'est une théorie qui explique
la gravitation.

Elle énonce que les masses - toute la
matière, les planètes - s'attirent

non parce qu'elles sont attirées par une
force instantanée, comme le disait Newton,

mais parce que toute la matière
- nous tous, toutes les planètes -

plisse la toile flexible
de l'espace-temps.

L'espace-temps, c'est ce dans quoi on vit

et qui nous relie entre nous.

C'est comme quand nous
nous couchons sur un matelas

et qu'il se déforme.

Et encore une fois, les masses ne bougent
pas à cause des lois de Newton,

mais parce qu'elles voient cette courbure
de l'espace-temps

et continuent en suivant
les petites courbures,

comme quand la personne
qui partage notre lit

se rapproche à cause
des courbures du matelas.

(Rires)

L'année suivante, en 1916,

en partant de sa théorie, Einstein affirma

l'existence des ondes gravitationnelles.

Elles se produisent
quand les masses bougent

comme, par exemple,
quand deux étoiles tournent

l'une autour de l'autre

et forment des plis dans l'espace-temps,

qui transportent l'énergie du système
quand les étoiles s'approchent.

Cependant, il a aussi calculé

que ces effets étaient si faibles

qu'ils ne seraient jamais mesurables.

Je vais vous raconter comment, grâce
au travail de centaines de scientifiques

œuvrant dans de nombreux pays
pendant des décennies,

très récemment, en 2015,

nous avons découvert
les ondes gravitationnelles

pour la première fois.

C'est une histoire plutôt longue.

Elle a commencé
il y a 1,3 milliard d'années.

Il y a très longtemps,

dans une galaxie très très lointaine...

(Rires)

il y avait deux trous noirs

qui tournaient l'un autour de l'autre,

- j'aime dire
qu'ils « dansaient un tango » -

qui était d'abord lent -

mais à mesure qu'ils émettaient
des ondes gravitationnelles,

ils se rapprochaient l'un de l'autre,
accéléraient,

jusqu'à ce que, tournant
presque à la vitesse de la lumière,

ils ont fusionné en un seul trou noir

dont la masse était
60 fois celle du soleil

mais concentrée sur 360 km.

C'est la taille de la Louisiane,

où j'habite.

Cet effet incroyable a produit
des ondes gravitationnelles

qui ont transmis le message
de cette embrassade cosmique

au reste de l'univers.

Ça nous a pris beaucoup de temps
pour découvrir l'effet de ces ondes,

à cause de notre façon de les mesurer,

en cherchant leurs effets
sur de longues distances.

Nous voulons calculer
des longitudes, des distances.

Quand ces ondes gravitationnelles
sont passées par la Terre,

en 2015,

elles ont changé toutes les distances,

les distances entre vous,
les distances entre vous et moi,

notre taille...

chacun s'est étiré ou réduit un petit peu.

L'hypothèse, c'est que
l'effet est proportionnel à la distance.

Mais il est minuscule :

même pour des distances bien
supérieures à ma petite taille,

l'effet est infinitésimal.

Par exemple, la distance
entre la Terre et le Soleil

a changé d'un diamètre atomique.

Comment peut-on le mesurer ?

Comment l'avons-nous mesuré ?

Il y a environ 50 ans,

des physiciens visionnaires
à Caltech et au MIT,

Kip Thorne, Ron Drever, Rai Weiss,

croyaient qu'on pouvait mesurer
les distances avec précision

en utilisant des lasers qui auraient
mesuré la distance entre des miroirs

éloignés de plusieurs kilomètres.

Ça a demandé beaucoup d'années, beaucoup
de travail, et beaucoup de scientifiques

pour développer la technologie,
pour développer les idées,

et 20 ans plus tard,

il y a environ 30 ans, plus de 20,

ils ont commencé à construire
deux détecteurs d'ondes gravitationnelles,

deux interféromètres,

aux États-Unis,

chacun d'une longueur de 4 km.

Un d'eux se trouve en Louisiane,

à Livingston, au cœur d'une jolie forêt ;

l'autre se trouve à Hanford,

dans l'État de Washington,
au cœur du désert.

Dans ces interféromètres, il y a des
lasers qui voyagent à partir du centre,

4 km dans le vide,

se reflètent dans les miroirs
et retournent au centre,

et nous mesurons
la différence des distances

entre un bras et l'autre bras.

Et ces détecteurs sont vraiment
très sensibles,

ce sont les instruments
les plus précis du monde.

Pourquoi on en a fait deux ?

A cause des signaux que nous voulons
mesurer qui viennent de l'espace

- c'est ceux que nous voulons mesurer -

mais les miroirs
se déplacent tout le temps,

donc il faut distinguer
les effets des ondes gravitationnelles,

qui sont des effets astrophysiques et
doivent apparaître dans les 2 détecteurs,

des effets locaux,

qui se manifestent distinctement,
dans l'un ou dans l'autre.

En septembre 2015,

nous terminions l'installation de
la deuxième génération de technologie

dans ces détecteurs,

mais nous n'avions pas encore atteint
la sensibilité optimale souhaitée.

Elle n'est toujours pas atteinte

même si c'était deux années plus tard,

mais nous voulions déjà
recueillir des données.

Nous pensions ne pas voir grand-chose,

mais nous nous préparions à collecter
des données pendant quelques mois.

Et la nature nous a surpris.

Le 14 septembre 2015,

nous avons vu une onde gravitationnelle

dans les deux détecteurs.

Il y avait un signal

avec des cycles qui augmentaient
en amplitude et en fréquence

puis diminuaient de nouveau

et c'était identique
pour les deux détecteurs.

Il s'agissait d'ondes gravitationnelles.

Et ce n'est pas tout :
en décodant ce type d'ondes,

nous avons pu déduire
qu'elles venaient de trous noirs

qui ont fusionné en un seul

il y a plus d'un milliard d'années.

Et c'était...

(Applaudissements)

C'était fantastique.

Au début, nous n'arrivions pas à y croire.

On avait cru que ça n'arriverait pas

avant longtemps.

C'était une surprise pour tout le monde.

Il nous a fallu des mois pour
être sûrs que c'était vrai,

parce que nous ne voulions pas
laisser de place à l'erreur.

Mais c'était vrai.

Et pour dissiper tout doute

sur la capacité des détecteurs
à mesurer ces ondes,

en décembre de la même année,
nous avons mesuré une autre onde

plus petite que la première.

La première onde gravitationnelle
avait produit une différence de distance

de 4 millièmes de proton

sur 4 km.

Oui, la deuxième détection
était plus petite

mais encore très convaincante
selon nos critères.

Même s'il s'agit d'ondes d'espace-temps,

et non d'ondes sonores,

nous aimons bien les écouter
sur haut-parleurs.

Nous appelons ça
« la musique de l’univers ».

Je vais vous faire écouter
les deux premières notes

de cette musique.

(Sifflement)

(Sifflement)

La deuxième note, la plus courte,
est la dernière fraction de seconde

de ces deux trous noirs,

qui, pendant cette fraction de seconde,
ont émis énormément d'énergie,

autant d'énergie que celle de trois
soleils qui se transforment en énergie

selon cette célèbre formule :

E = mc².

Vous vous en souvenez ?

Elle nous enchante tellement cette musique

que nous dansons dessus,

tellement que je vais vous la faire
écouter à nouveau.

(Sifflement)

(Sifflement)

C'est la musique de l'univers !

(Applaudissements)

Souvent les gens me demandent :

« À quoi servent
les ondes gravitationnelles ?

Et maintenant qu'elles
ont été découvertes,

qu'est-ce qu'il reste à faire ? »

À quoi servent
les ondes gravitationnelles ?

Quand on posa la question à J.L. Borges,

« À quoi sert la poésie ? »,

il a demandé en retour :

« À quoi sert le lever du jour ?

À quoi servent les caresses ?

À quoi sert l'odeur du café ? »

Et il a répondu :

« La poésie sert au plaisir,
à l'émotion, à vivre. »

Et comprendre l'univers,

cette curiosité humaine de savoir
comment ça fonctionne,

c'est un peu la même chose.

Depuis un temps immémorial, l'humanité,

et nous tous, vous tous
quand vous étiez enfants,

quand on regarde le ciel
pour la première fois

et qu'on voit des étoiles, on se demande :

« Qu'est-ce qu'une étoile ? »

Cette curiosité est propre
aux êtres humains.

Et c'est ce que nous faisons en science.

Nous aimons bien dire

que les ondes gravitationnelles
sont déjà utiles

parce que nous ouvrons une nouvelle
voie pour explorer l'univers.

Jusqu'à maintenant, nous avions vu
la lumière des étoiles

à travers les ondes électromagnétiques.

Maintenant, nous pouvons écouter
le son de l'univers produit

par quelque chose qui n'émet pas de
lumière, les ondes gravitationnelles.

(Applaudissements)

(Anglais) Merci.

(Applaudissements)

Mais est-ce qu'elles
ne serviront qu'à ça ?

On ne tire aucune technologie
des ondes gravitationnelles ?

C'est possible, oui.

Mais cela prendra probablement
beaucoup de temps.

Nous avons créé la technologie
pour les détecter,

mais pour les ondes,
peut-être que d'ici 100 ans,

on leur découvrira une utilité.

Il faut bien du temps pour tirer
une technologie à partir de la science

et ce n'est pas notre but.

Toute technologie est tirée de la science,

mais on fait de la science

pour le plaisir.

Qu'est-ce qu'il nous
reste encore à faire ?

Beaucoup.

Énormément.
On ne fait que commencer.

À mesure qu'augmente
la sensibilité des détecteurs,

- et il reste pas mal de
choses à faire -

nous allons repérer plus de trous noirs,

mais aussi nous allons pouvoir
les cataloguer, combien il y en a,

où ils sont, leurs dimensions,

et on verra également d'autres objets.

La fusion des étoiles de neutrons,

qui se transforment en trous noirs.

On verra naître un trou noir.

On pourra voir les étoiles en rotation
dans notre galaxie

qui produisent des ondes sinusoïdales.

On pourra voir des explosions
de supernovae dans notre galaxie.

C'est tout un spectre de sources nouvelles
qu'on pourra voir.

Nous aimons bien dire

que nous avons ajouté un nouveau sens
au corps humain :

maintenant, au-delà de la vue,

nous avons l'ouïe.

C'est une révolution dans le domaine
de l'astronomie,

comme quand Galilée
a inventé le télescope,

ou comme quand le son s'est ajouté
au cinéma muet.

Ce n'est que le début.

Nous aimons croire

que le chemin de la science
est très long -

très amusant, mais très long -

et notre grande communauté internationale
de scientifiques qui travaillent ensemble,

dans plusieurs pays, en équipe,

aide à tracer ce chemin,

en faisant de la lumière,

en trouvant parfois des détours,

et en construisant, peut-être,

une autoroute de l'univers.

Merci.

(Applaudissements)