En route vers le Prix Nobel avec le vide - Des tubes sous vide poussé aident à démontrer l'existence d'ondes gravitationnelles

En route vers le Prix Nobel avec le vide - Des tubes sous vide poussé aident à démontrer l'existence d'ondes gravitationnelles

Il y a plus d'un siècle, Albert Einstein avait déjà prédit l'existence d'ondes gravitationnelles. Mais leur existence a été démontrée uniquement en 2015. Des tubes sous vide d'une longueur de deux kilomètres ont été utilisés comme détecteurs.

Tout comme une pierre jetée dans l'eau crée des ondulations à la surface de l'eau, les ondes gravitationnelles étirent et compriment l'espace. Cette ondulation de l'espace temps est provoquée par les catastrophes cosmiques telles que l'explosion d'étoiles ou la collision de trous noirs. Les ondes gravitationnelles se propagent alors à la vitesse de la lumière. C'est du moins ce qu'Albert Einstein avait prédit en 1915 lorsqu'il a introduit sa théorie de la relativité générale.

Toutefois, l'existence de ces ondes mystérieuses était restée une simple théorie jusqu'en 2015, parce qu'elles étaient extrêmement difficiles à mesurer. Elles modifient l'espace en un clin d'oeil et seulement d'une fraction du diamètre d'un atome. La collision de deux énormes trous noirs a apporté la preuve directe de l'existence d'ondes gravitationnelles près de cent ans après avoir été prédites.

Des appareils de mesure de plusieurs kilomètres

Ces ondes se sont propagées à travers l'espace-temps pendant deux milliards d'années avant de déformer légèrement l'espace-temps sur la Terre le 14 septembre 2015. Deux détecteurs LIGO identiques (LIGO = Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) situés à 3 000 kilomètres de distance ont pu les mesurer aux États-Unis.

Ils sont constitués chacun de deux tubes à un angle de 90 degrés. L'un d'entre eux mesure deux kilomètres, l'autre quatre kilomètres. Lorsque les deux extrémités se rejoignent, un faisceau laser est émis et divisé en deux par un séparateur de faisceau. Ensuite, une moitié du faisceau est dirigée vers chacun des tubes. Les miroirs à récupération d'énergie s'assurent que la lumière se déplace d'un côté à l'autre plusieurs fois avant de retourner vers le séparateur de faisceau après avoir parcouru une distance de 1 120 kilomètres. Si une onde gravitationnelle traverse l'espace, un bras de l'interféromètre s'étire tandis que l'autre se comprime. Cela permet de détecter un changement dans l'intensité du faisceau laser.

Vide et précision de mesure

Pour garantir que les appareils de mesure soient capables de fonctionner totalement sans défaut, les tubes sont mis sous une pression correspondant à un millionième de millionième de la pression de l'air au niveau de la mer. Pour ce faire, les tubes sont préalablement chauffés pendant 30 jours, puis l'air résiduel est extrait à l'aide de pompes à vide haute performance. Enfin, des pompes à ions sont utilisées pour extraire les molécules de gaz résiduelles. L'ultra vide obtenu ne contient aucune molécule d'air qui pourrait dévier le faisceau laser ou faire vibrer les miroirs, et ne contient aucune poussière qui pourrait disperser la lumière.

En février 2016, après des calculs complexes, les scientifiques qui participaient à l'expérience, ont pu annoncer qu'ils étaient effectivement capables de mesurer les ondes gravitationnelles et ont confirmé la théorie d'Einstein. Pour leur travail sur ce projet, les pionniers Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip Thorne ont reçu le Prix Nobel de Physique en 2017.


Depuis la première mesure effectuée en 2015, la recherche gravitationnelle a enregistré d'autres ondulations dans l'espace-temps. La dernière remonte au 14 août 2017. Elle a été relevée par Virgo, un détecteur d'une structure similaire situé à Livorno en Italie, qui a commencé depuis peu à coopérer avec LIGO. Elle trouve sa source dans une collision stellaire qui a pris place il y a environ 1,8 milliards d'années-lumière. Les chercheurs espèrent obtenir de nouvelles informations sur l'histoire et les caractéristiques physiques de l'univers, qui restaient inaccessibles jusqu'à présent. En outre, les détecteurs sont en mesure de découvrir des indications sur la matière noire, bien que cela n'ait finalement rien à voir avec les ondes gravitationnelles.

Jusqu'à présent, l'existence de la matière noire était un simple postulat théorique, tout comme le fut l'existence des ondes gravitationnelles jusqu'à récemment. Les astrophysiciens se réfèrent à leurs résultats de mesure et leurs calculs pour conclure que les galaxies auraient été déchirées par la force centrifuge de leur rotation si la matière noire n'existait pas. Sa masse doit être cinq fois supérieure à celle de la matière visible.

Avec les détecteurs LIGO et Virgo, les astronomes peuvent non seulement localiser les trous noirs mais ils peuvent également "entendre" ce qu'ils racontent sur la naissance des galaxies. Une théorie sur la matière noire explique notamment qu'elle consiste en trous noirs "primaires" créés par le Big-Bang. Bien que cette hypothèse soit partagée par une minorité de physiciens, les détecteurs gravitationnels peuvent fournir des données en mesure de la soutenir ou de la réfuter, et la science peut ainsi se consacrer à d'autres modèles d'explication.


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