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Ondes gravitationnelles, vibrante réponse à l'expansion de l'Univers

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Thèmes : Ondes gravitationnelles, Expansion de l'Univers

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Vous rappelez-vous, le petit truc fou ?
L'Univers est en expansion et celle-ci est accélérée. En Mars dernier cependant, des chercheur.e.s ont publié un article suite à de nouvelles observations du Hubble Space Telescope (HST).

Surprise ! Les observations semblent annoncer un ralentissement de l'accélération lorsque l'on regarde au loin, a contrario de notre Univers plus local.

Cependant, ce phénomène ne correspond pas à la prévision du modèle standard de la cosmologie pourtant actuellement largement acceptée par la communauté scientifique.

Jusqu'alors, la lumière était l'outil utilisé pour mesurer les distances dans l'Univers, mais la première détection des ondes gravitationnelles en 2015 a permise d'ouvrir un nouveau champ de mesure des distances cosmologiques.
Les scientifiques misent beaucoup sur ces ondes gravitationnelles pour percer le secret de ces changements d'accélération de notre Univers si mystérieux.

Les ondes gravitationnelles, qu'est-ce-que c'est ?

Les ondes gravitationnelles sont des "ondulations" voyageant à la vitesse de la lumière1. Causées par les phénomènes les plus violents et énergétiques de l'Univers, elles traversent le cosmos nous apportant des informations sur leur sources.

Introduites par Einstein en 1916, les ondes gravitationnelles naissent de la théorie de la relativité générale, dans laquelle la gravitation n'est plus considérée comme une force, mais comme une courbure de l'espace-temps à part entière.

Cette nouvelle description de l'espace qui nous entoure rend indissociables deux notions jusqu'à maintenant séparées : l'espace et le temps.

Les petites vaguelettes se déplacent en déformant l'espace-temps dans la longueur puis la largeur, comme on le voit sur l'illustration ci-dessous, représentant l'effet d'une onde gravitationnelle sur un lot de particules tests.

@MOBle

Les ondes sont générées par la fusion d'objets très compacts : les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Ces objets ont une masse si élevée que leur collision entraîne une libération d'énergie sous forme d'onde gravitationnelle, reflétant la perturbation dans la structure de l'espace-temps engendré par la violence de l'événement.

Crédit : Nicolas Douillet, ARTEMIS

La détection des ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles sont une manifestation des interactions gravitationnelles, dominantes à grande échelle dans l'Univers. Cependant, lorsque l'on regarde à très petites échelles, ces interactions sont très faibles, peu perceptibles2.
Cette propriété permet à ces ondes de gravitation de peu interagir avec la matière, traversant alors les zones les plus compactes contrairement aux ondes électromagnétiques. Des informations venant des sources sont donc rendues accessibles.

Cet accessibilité est cependant complexe car la faiblesse des interactions gravitationnelles à petites échelle entraîne une détection des vaguelettes très difficile, mais pas impossible !

En effet, le 14 Septembre 2015, presque un siècle après l'introduction des ondes gravitationnelles par Einstein dans la relativité générale, les laboratoires LIGO et Virgo en annoncent la première observation.

L'observatoire LIGO : "Laser Interferometer Gravitational-waves Observatory" est composé de deux interféromètres laser, dont un est à Livingstone en Louisiane et le second à Handford dans l'État de Washington. Virgo quant à lui se situe près de Pise, en Italie.

Ces interféromètres sont composés (entre autre) de deux miroirs et d'une lame semi-réfléchissante. Comme on le voit dans la vidéo explicative ci-dessous, le laser est envoyé d'une extrémité vers la plaque semi-réfléchissante, séparant le rayon en deux parties. La lumière frappe les miroirs et est réexpédiée vers la lame semi-réfléchissante, derrière laquelle un détecteur est placé.

Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse la matière, elle interagit comme dit plus haut, en modifiant de manière infime et temporaire l'espace-temps. Cette très faible interaction mène à un décalage dans la réception des deux "morceaux de laser", séparés par la lame semi-réfléchissante, mettant en évidence l'existence des ondes.

Les chercheur.e.s continuent d'améliorer les laboratoires LIGO et Virgo, qui se sont montrés efficaces à maintes reprises. Parlons par exemple de la détection des ondes gravitationnelles issues de la collision de deux étoiles à neutrons, le 17 août 2017. Cette détection était particulièrement ardue, car les étoiles à neutrons étant moins compactes que les trous noirs, les ondes sont d'autant plus faibles. Elles ont cependant été perçues et ont fourni aux scientifiques une toute nouvelle mesure : la détection d'ondes gravitationnelles combinées à la détextion d'ondes électromagnétiques, faisant entrer l'astronomie dite "multi-messagers" dans l'air du temps.

Ces mesures ont permises des avancées extraordinaires en astrophysique. De fait, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) a programmé la construction d'un nouvel instrument : LISA, "Laser Interferometer Space Antenna", un laboratoire spatiale d'ondes gravitationnelles. Composé de trois satellites placés en triangles en orbite autour du soleil. Chaque satellite de situe à des millions de kilomètres des autres, et sont reliés par des faisceaux laser, formant les bras de cet interféromètre de très haute précision3.

Leur apport à la question de l'expansion de l'Univers

L'accélération de l'expansion de l'Univers introduit l'hypothèse de la présence dans le cosmos d'une énergie sombre permettant la croissance accélérée qu'on lui connaît aujourd'hui.

Il y a quelques mois, des mesures du HST ont montré une évolution inattendue de l'expansion de l'Univers4. En effet, il semble accélérer plus lentement lorsque les observations sont effectuées très loin de nous, contrairement à l'Univers plus local qui présenterait une accélération plus grande.

Les erreurs liées aux instruments sont écartées car les nouvelles mesures offrent des résultats robustes, tels qu'il serait impossible de les rejeter face à du bruit expérimental.

Ces observations sont d'autant plus étranges qu'elles sont en contradiction avec le modèle standard de la cosmologie, jusqu'alors largement accepté et utilisé par les chercheur.e.s.

Dans le passé, différents outils ont permis de mesurer cette expansion. Parmis eux, les chandelles standards, que l'on définit comme des astres dont la luminosité est connue. Les Supernovae appelées de type "Ia" (SNIa) font parti de ces classes de chandelles standards. Elles émettent une lumière très forte au travers de l'explosion puissante d'une des étoiles du système binaire qui les caractérisent.

Les mesures sur ces étoiles explosives offrent une comparaison entre deux types de luminosité : celle que l'on connaît, et celle que l'on observe. Ces deux aspects fournissent des distances approximatives, et donc l'éloignement des galaxies hôtes des SNIa. De cette distance est déduite la rapidité de déplacement des galaxies apportant des informations sur la rapidité d'expansion de l'Univers.

Malgré ces techniques efficaces, les scientifiques utilisent de nouveaux outils, afin de rendre les mesures plus précises. Un de ces outils n'est autre que... Les ondes gravitationnelles ! Elles permettent une meilleure détection, car elles ont un bruit bien moins présent dans le signal que les SNIa, lorsqu'observées avec l'interféromètre LISA4.

Les ondes gravitationnelles issues de la collision d'étoiles à neutrons sont l'attention particulière de ces détecteurs, car elles apportent une double information sur le système binaire générateur de l'émission des ondes.

Les ondes gravitationnelles, hypothèse phare du XXème siècle et observation tant attendue du XXIème, seront-elles réponses aux questions émergentes, nées des nouvelles mesures du HST quant à la vitesse d'expansion de l'Univers ?

Nathalie Bauchet

1. "Les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière", Olivier Minazzoli, La Recherche
2. "Les ondes gravitationnelles", Astronomie et Astrophysique

3. "Gravitational Astrophysics", Hendry & Woan, Gravitational Astrophysics

4. "Hubble measurements confirm there's something weird about how the Universe is expanding", Ryan F.Mandelbaum, Gizmodo

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