Le 11 février 2016, l’Internet a explosé de nouvelles — les scientifiques des associations scientifiques VIRGO et LIGO ont apporté la preuve de l’existence des ondes gravitationnelles ! Les scientifiques et les journalistes affirment que cette découverte est la première étape vers des changements fondamentaux dans la physique, et par la suite dans la technologie. Mais quelles sont ces ondes gravitationnelles, comment fonctionnent-elles et, surtout, qu’apporte leur découverte ? Aujourd’hui, nous allons explorer cette question ensemble.
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La gravité, ou la force en toute chose
Tout d’abord, il convient de savoir ce qu’est réellement la gravité. Oui, oui — il s’agit de la force gravitationnelle qui fait tomber les pommes sur la tête des scientifiques et les sandwichs beurrés, et qui ne permet pas à la Terre de se détacher du Soleil et de s’envoler pour voyager dans la galaxie. Dans la physique moderne, cependant, elle se divise en deux parties importantes et intégrales.
La loi de Newton
La loi de l’inverse des carrés. Plus la distance est grande, plus l’intensité est faible
La première, la plus superficielle et la plus évidente, est la gravité de Newton. C’est très simple : plus un corps est lourd, plus il attire d’autres objets vers lui. La Lune, qui est plusieurs fois plus légère que la Terre, tourne autour de la planète, et non l’inverse — c’est un principe que tout le monde a pu observer. En même temps, l’attraction diminue fortement avec la distance, selon la loi de l’inverse du carré, qui s’applique à tout rayonnement ou propagation d’énergie. C’est pourquoi les clés jetées par les astronautes se mettent à tourner autour de leur station spatiale, mais pas autour de la Terre, et le centre de la galaxie, beaucoup plus massif que le Soleil, n’attire pas nos planètes lumineuses.
Une pierre ordinaire est une parfaite démonstration de la gravité newtonienne. Si vous la lancez vers l’avant, elle dévalera une pente et se précipitera vers la terre à mesure que l’élan donné par la main s’affaiblira par rapport à la gravité. Plus vous la lancez fort, plus la pierre ira loin — et si vous lui donnez suffisamment de vitesse, elle pourra se mettre en orbite autour de la Terre ou quitter complètement le système solaire.
Pour construire une fusée spatiale, lancer un satellite et voler vers les planètes voisines, les énoncés de la gravité de Newton et de ses disciples comme Kepler suffisent. De plus, ces énoncés sont utilisés avec succès aujourd’hui pour déterminer la masse des astéroïdes et des autres planètes, ainsi qu’à d’autres fins pratiques.
Même la mécanique classique de Newton permet de calculer des choses faisables. Sur la photo — schéma d’un hypothétique avion suborbital Moscou-Karaganda. Agrandir l’image.
Selon Einstein et la théorie de la relativité.
Cependant, dans la théorie de la relativité, la gravité est considérée comme beaucoup plus profonde. Selon cette théorie, tout corps possédant une masse courbe une «toile» unique de l’espace-temps — et plus la masse est importante, plus la courbe est forte. L’exemple d’une pierre subit ici un changement frappant. Selon la théorie de la relativité, la pierre lancée n’est pas attirée par la Terre et vole invariablement en ligne droite — l’espace lui-même est courbé de sorte que, lorsque l’élan est amorti, la pierre est repoussée vers la Terre. En tournant, les masses tordent l’espace et le temps autour d’elles en spirales entières, comme des gouttières. C’est pourquoi les satellites tournent autour des planètes, les planètes autour des étoiles, les étoiles autour des centres galactiques, et ainsi de suite jusqu’à l’infini.
Pour comprendre d’où vient l’énergie gravitationnelle, examinons la formule de base de la théorie spéciale de la relativité d’Einstein — E=mc². E représente ici l’énergie cinétique d’un corps, c’est-à-dire la dépense de force nécessaire pour accélérer un objet à partir du repos. Cependant, dans la mécanique de la théorie de la relativité, il s’avère que l’énergie est nécessaire même pour un corps qui ne bouge pas ! Ainsi, toute masse implique la présence d’une énergie potentielle en son sein. Une solution pratique à la théorie de la compatibilité mutuelle de l’énergie et de la masse a été trouvée en physique nucléaire — l’uranium et le plutonium, relativement immobiles mais lourds, créent une énorme quantité d’énergie dans les réacteurs et les bombes.
La pomme de Newton déforme l’espace-temps d’Einstein
Cela semble incroyable, n’est-ce pas ? À l’origine, ce concept n’existait que sous la forme d’équations mathématiques dans les carnets d’Einstein. Au début du XXe siècle, il était difficile de trouver une quelconque confirmation de cette théorie, et même aujourd’hui, il est difficile d’y croire. Mais aujourd’hui, la théorie de la distorsion gravitationnelle de l’espace est utilisée même dans la vie de tous les jours. La technologie de navigation GPS, qui équipe tous les téléphones modernes, fonctionne sur le principe de la réconciliation d’une horloge de haute précision entre le dispositif au sol et le satellite. Lorsque l’horloge du satellite ralentit, elle est artificiellement corrigée de 38 microsecondes par jour. Et sur le téléphone, qui se trouve à la surface de la Terre, plus près du centre gravitationnel, le temps passe nettement plus lentement !
D’autres confirmations de la distorsion de l’espace et du temps par la gravitation abondent : l’effet de lentille gravitationnelle, au cours duquel des objets massifs déforment les contours des étoiles situées derrière eux, et le déplacement des ondes lumineuses dans l’infrarouge, également découvert pour la première fois «sur le papier». Ces phénomènes ne prennent pas la poussière dans les réserves du savoir humain : grâce à eux, on découvre les vraies couleurs et les vrais contours d’objets lointains, et on développe des technologies pour les futurs voyages interstellaires.
Ondes gravitationnelles dans le double système de corps dans la représentation de l’artiste (animée). Les colonnes lumineuses au centre sont des jets relativistes.
Les ondes de la relativité
Maintenant que nous avons abordé les bases de la gravité, passons aux ondes gravitationnelles, le point fort de notre programme. Comme nous le voyons, les conditions préalables à la nature ondulatoire de la gravité étaient déjà présentes dans la théorie de la gravité de Newton — elle s’y propageait à la vitesse de la lumière en tant qu’onde et tombait sous le coup de la loi de l’inverse des carrés.
Cependant, la théorie de la relativité apporte plus de clarté à la nature ondulatoire. Nous savons donc déjà qu’en se déplaçant et en tournant, un corps massif crée une distorsion du temps et de l’espace — et plus le corps se déplace et/ou tourne rapidement, plus la distorsion qui en résulte est importante. Il existe ici une loi qui caractérise également les champs électriques et magnétiques : si la vitesse de déplacement n’est pas constante, des ondes seront créées. Seulement, les ondes gravitationnelles ne sont pas seulement des fluctuations d’énergie, mais aussi des fluctuations de temps et d’espace. Au sens figuré, sur la crête de l’onde, les objets et les minutes rétrécissent, se raccourcissent, et sur la pente, ils s’aplanissent, s’ordonnent.
Ces ondes spatio-temporelles sont la résultante de l’énergie gravitationnelle, que nous avons mentionnée plus haut. Cependant, pour qu’elles apparaissent, il reste une condition nécessaire : la vitesse variable et non constante des éléments du système gravitationnel. Et cela est assez rare. Par exemple, dans le système solaire, toutes les planètes ralentissent à l’aphélie, le point le plus éloigné de l’orbite du Soleil, et accélèrent au périhélie. Cependant, les masses des planètes comparées à la masse du Soleil sont trop faibles et les différences de vitesse sont négligeables. Par conséquent, sous la forme d’ondes gravitationnelles, le Soleil ne perd même pas un centième de l’énergie qui libère son rayonnement.
Il en va autrement des systèmes doubles d’objets massifs tels que les étoiles et les trous noirs. Relativement proches les uns des autres, ils tournent simultanément dans deux directions : autour d’un centre de gravité commun et autour de leur propre axe. Comme les systèmes binaires ont tendance à fusionner, ils tournent de plus en plus près les uns des autres, et donc de plus en plus intensément. Selon Einstein lui-même, cette danse des géants crée de puissantes ondes gravitationnelles. De puissants cataclysmes tels que les explosions de supernovae peuvent également être à l’origine d’oscillations.
Dans la vidéo ci-dessous, vous pouvez voir de près à quoi ressembleraient des ondes gravitationnelles de grande ampleur. Ensuite, nous verrons ce qui a permis aux scientifiques de les détecter et ce que cette découverte apportera à l’humanité.
Entendre le son le plus silencieux
Avant 2015, la plupart des phénomènes prédits par la théorie de la relativité avaient été découverts. L’un d’entre eux restait dans l’ombre : les ondes gravitationnelles, les vibrations les plus insaisissables qui existent dans la nature.
La difficulté de détecter les ondes gravitationnelles réside dans le fait que la gravité elle-même est incroyablement faible — 10 à 40 fois plus faible que n’importe quelle impulsion électromagnétique ! Si un bouton tombe soudainement de votre chemise, la force gravitationnelle de la Terre surmontera l’attraction combinée de la chemise et de votre corps et fera «tomber» le bouton sur le sol. Mais si le bouton est magnétique, il restera en place — le couplage électromagnétique de deux petits objets de la taille d’une pièce de dix centimes sera plus fort que la gravité d’une planète entière ! En outre, les sources puissantes de perturbations gravitationnelles sont généralement assez éloignées de la Terre, et les ondes qu’elles émettent s’affaiblissent donc en raison de la fameuse loi de l’inverse des carrés. C’est une bonne chose : si elles étaient plus proches, la Terre pourrait souffrir de phénomènes physiques beaucoup plus puissants, tels que les radiations.
Les scientifiques de LIGO, engagés dans la recherche d’ondes gravitationnelles, ont donc dû construire une installation titanesque, représentant deux tubes perpendiculaires de 4 kilomètres, à l’intérieur desquels règne le vide. Ils sont traversés par des faisceaux laser, dont les temps de passage sont clairement enregistrés — c’est ce que l’on appelle l’interféromètre à ondes gravitationnelles. Lorsqu’une onde gravitationnelle traverse la Terre, l’espace est déformé et le laser est d’abord ralenti dans le premier tube, puis accéléré dans le second — ou inversement.
La sensibilité du dispositif final est telle que les vibrations peuvent être détectées même au niveau des protons. Cela pose toutefois un problème aux scientifiques : un dispositif aussi sensible capte beaucoup de bruits parasites. Les chercheurs de LIGO ont tenu compte des mouvements dans les profondeurs du sous-sol, des particularités météorologiques, ont couru loin des routes et des villes dans le désert — mais même là, le signal s’est parfois mélangé aux sons d’une moto, qui passait à quelques kilomètres des tubes à vide. À tel point que l’interféromètre captait des appels téléphoniques !
Simulation par ordinateur des ondes produites par la collision de deux trous noirs
Cependant, lorsque l’appareil a été mis en service, il s’est révélé sous son meilleur jour. L’événement dont les ondes gravitationnelles ont été détectées a également joué un rôle : la fusion de deux trous noirs dont les masses étaient respectivement de 36 et 29 (±5) fois la masse du soleil ! En se rapprochant l’un de l’autre, ils ont tourné sur eux-mêmes à une vitesse atteignant 40 % de la vitesse de la lumière. Lors de la collision, une énergie 50 fois plus puissante que le rayonnement de toutes les étoiles de l’Univers visible pendant la même période a été libérée. Ce moment est également devenu un pic dans l’intensité et la force des ondes — après lui, dans l'»éther» gravitationnel, sont venus le silence et la paix.
Les fruits de la découverte
La possibilité d’enregistrer les ondes gravitationnelles ouvre une «nouvelle dimension» à l’astronomie. Les télescopes, aujourd’hui limités à la gamme optique, riche en obstacles et en distorsions, pourront, grâce aux ondes gravitationnelles et à leurs réflexions, obtenir une image tridimensionnelle des objets observés. La technologie que les chercheurs viennent d’appliquer était encore «brute» — mais à l’avenir, les ondes gravitationnelles permettront d’étudier des objets qui nous cachent des galaxies et des nébuleuses.
En outre, de nombreuses théories qui avaient fait l’objet de débats jusqu’à présent ont été confirmées. Ainsi, la possibilité d’existence de systèmes doubles de trous noirs, qui peuvent s’absorber l’un l’autre, a été prouvée. Les dispositions de la théorie générale de la relativité relatives à la gravité ont également été renforcées, ce qui a permis à la presse de qualifier l’enregistrement des ondes gravitationnelles de «cadeau à Einstein à l’occasion du 100e anniversaire de la théorie de la relativité». La capacité à «entendre» les ondes gravitationnelles permettra également de percer les mystères de la matière noire, qui continue d’intriguer les scientifiques du monde entier.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023