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    Ondes gravitationnelles (vue d'artiste)

    On a détecté de nouvelles ondes gravitationnelles

    © Photo. LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
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    L'observatoire d'ondes gravitationnelles LIGO a enregistré les traces de la fusion d'une paire inhabituelle de trous noirs.

    Cette découverte prouve la possibilité d'une fusion des trous noirs longtemps après leur formation et confirme la théorie de relativité d'Einstein. Les conclusions des scientifiques ont été publiées dans le magazine Physical Review Letters.

    "Tout le monde veut savoir quelle théorie de la gravitation est juste — celle d'Einstein ou des dizaines d'autres théories alternatives. Les nouvelles informations montrent — avec une certaine inexactitude malgré tout — que les résultats des observations s'inscrivent dans le lit de Procuste des formules de la théorie générale de la relativité. Elle fonctionne et pour l'instant nous n'avons pas besoin de lui chercher d'alternative", explique Sergueï Viattchanine, physicien à l'Université d'État Lomonossov de Moscou et membre de la collaboration LIGO.

    L'univers gravitationnel

    Le détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO a été construit en 2002 selon les projets conçus par Kip Thorne et Ronald Drever du Caltech et Rainer Weiss à la fin des années 1980. Pendant la première étape de travail, qui a duré huit ans, LIGO n'a pas réussi à détecter les vibrations de l'espace-temps pressenties par Einstein. Le détecteur a été débranché et pendant quatre ans, les chercheurs ont travaillé à sa mise à jour et à l'augmentation de sa sensibilité.

    Ces efforts n'ont pas été vains: en septembre 2015, presque immédiatement après sa mise en route, LIGO a détecté un sursaut d'ondes gravitationnelles engendrées par la fusion de trous noirs d'une masse totale de 53 soleils. Par la suite, LIGO a enregistré deux autres sursauts d'ondes gravitationnelles dont un seul a été officiellement reconnu par la communauté scientifique.

    LIGO a été débranché début janvier 2016 et les experts ont passé 11 mois à mettre à jour les instruments du détecteur et à réparer les systèmes défaillants. En décembre 2016, LIGO a été relancé et les deux détecteurs de l'observatoire construits à Livingston et à Hanford ont surveillé l'espace pendant six mois.

    Cette semaine David Shoemaker, responsable de la collaboration LIGO, et ses collègues ont partagé les premiers résultats des observations cette année. D'après les scientifiques, le détecteur a réussi à enregistrer un troisième sursaut d'ondes gravitationnelles engendré par la fusion de trous noirs, ainsi que six autres événements susceptibles de l'être.

    Ce signal, baptisé GW170104, a été obtenu par les spécialistes immédiatement après le branchement de LIGO, le 4 janvier, à environ 13 heures (heure de Moscou). Il a été détecté grâce à la vigilance d'un doctorant d'Allemagne.

    Ce dernier a remarqué des traces de sursaut dans les données émises par l'un des deux détecteurs de l'observatoire, mais pour une certaine raison le second détecteur ne "voyait" pas le signal qui était manifestement présent dans les informations qu'il recevait. Il s'est avéré que le système de détection automatique d'ondes gravitationnelles était mal réglé: le sursaut aurait pu passer inaperçu si le jeune scientifique ne l'avait pas remarqué.

    Une "toupie" cosmique

    L'événement GW170104 est intéressant pour plusieurs raisons, explique Shoemaker aux journalistes. Premièrement, il est provoqué par la fusion d'un type de trous noirs de grande masse inconnu auparavant: l'axe de l'un des trous était soit incliné, soit le trou noir tournait dans le sens inverse par rapport à son voisin.

    C'est important car une paire de trous noirs de ce type peut apparaître uniquement s'ils naissent non pas ensemble, à l'intérieur d'un système solaire double ou triple, mais séparément, pour former une paire assez longtemps après leur formation. Auparavant, les chercheurs doutaient de la possibilité de l'apparition de telles paires de trous noirs et la découverte de LIGO a levé le doute.

    Deuxièmement, ces trous noirs ont une masse relativement élevée — le premier est 31 fois plus lourd que le soleil, le second 20 fois. Cela signifie que les trous noirs se forment relativement souvent dans un tel intervalle de masses.

    De la même manière, les astrologues n'étaient pas sûrs que des trous aussi massifs puissent faire leur apparition dans l'univers contemporain à l'intérieur de denses accumulations d'étoiles, et la découverte de GW170104 montre que des étoiles superlourdes composées entièrement d'hydrogène et d'hélium sont apparues également quelques milliards d'années après le Big Bang.

    De plus, les chercheurs ont réussi à montrer que les ondes gravitationnelles de différentes fréquences ne se dispersaient pas en mouvement à travers l'espace, comme l'ont confirmé les calculs de la relativité générale, et à préciser le plafond de la masse d'un graviton — une particule hypothétique responsable du transfert d'interactions gravitationnelles.

    D'autre part, cette découverte a rendu d'autres questions relatives aux ondes gravitationnelles encore plus incompréhensibles et mystérieuses. La principale étant que LIGO n'a toujours pas réussi à identifier les signaux gravitationnels émis par des paires d'étoiles à neutrons que Kip Thorne et d'autres fondateurs de l'observatoire s'attendaient à capter avant que le détecteur n'"entende" les trous noirs.

    "Nous n'avons pas non plus trouvé les pulsars. On ignore pourquoi, nous en comprendrons la raison seulement quand nous les trouverons. Pour l'instant nous enregistrons trop peu de sursauts de tous les types — cela nous amène à une découverte par an, or nous voudrions observer un événement par mois", poursuit Sergueï Viattchanine.

    Les horizons gravitationnels

    Selon David Shoemaker, l'observatoire ne pourra découvrir des pulsars que quand la sensibilité des détecteurs sera doublée par rapport aux améliorations obtenues par les physiciens russes et occidentaux durant le dernier "congé" de LIGO.

    "Nous avons travaillé à l'augmentation de la sensibilité de LIGO de deux manières — en augmentant la puissance des lasers et en injectant du "vide compressé" dans le port du signal. Nous avons réussi à augmenter légèrement la puissance, même si nous n'avons pas obtenu la puissance planifiée, et dans l'ensemble nous avons réussi à augmenter la sensibilité des détecteurs et leur champ de vision de quelques dizaines de pour cent", explique le physicien russe.

    Ondes gravitationnelles. Image d'illustration
    © REUTERS / /Caltech/MIT/LIGO Laboratory/Handout
    De plus, selon Sergueï Viattchanine, la recherche de pulsars nécessite également de puissantes ressources de calcul — le signal qu'ils engendrent est presque invisible "à l'œil nu", à l'instar des sursauts d'ondes gravitationnelles produits par les trous noirs au cours des derniers cycles précédant leur fusion. C'est pourquoi les scientifiques pensent que LIGO découvrira des pulsars pendant les prochaines sessions de travail du détecteur.

    Le prochain "congé" de l'observatoire commencera en août. Durant cette période, les physiciens s'attendent à une hausse notable de la sensibilité de LIGO grâce à l'augmentation de la puissance des lasers de chaque détecteur et à la réduction du bruit à l'intérieur. De plus, cet été sera mis en service VIRGO, cousin européen de LIGO, ce qui contribuera également à la probabilité de découvrir des pulsars pendant la prochaine session de travail de l'observatoire qui démarrera fin 2018.

    David Shoemaker espère que la mise à jour de LIGO permettra de découvrir non seulement des pulsars, mais également des objets plus exotiques.

    "Nous étudions depuis longtemps la possibilité de capter également des flashs de supernovas. Nous avons une équipe qui surveille leurs éventuels signaux dans les données de LIGO et on analyse plusieurs modèles de la manière dont elles pourraient émettre des ondes gravitationnelles. En principe, nous sommes ouverts à l'étude de tout signal reçu par nos trois détecteurs, par exemple des pulsars ayant une forme sphérique imparfaite", explique le scientifique.

    D'après lui, la recherche de tels signaux est compliquée non seulement parce qu'ils sont faibles, mais également car la rotation de la Terre étend et comprime le signal émis par de telles étoiles à neutrons.

    La correction de ces déformations exige d'immenses capacités de calcul, ce qui empêche la recherche des variations prédites par Einstein engendrées par les pulsars asymétriques. Aujourd'hui, pour de tels calculs, les chercheurs utilisent les ordinateurs des volontaires dans le cadre du réseau Einstein @ Home. David Shoemaker espère qu'au final tous ces efforts conduiront à la découverte de nouvelles sources d'ondes et d'objets.

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    découverte, espace, ondes gravitationnelles, Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)
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