tag:theconversation.com,2011:/id/topics/ondes-gravitationnelles-24672/articlesondes gravitationnelles – The Conversation2023-06-05T15:49:19Ztag:theconversation.com,2011:article/2048262023-06-05T15:49:19Z2023-06-05T15:49:19ZOndes gravitationnelles : le Einstein Telescope, un détecteur de troisième génération prévu en Europe<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/528795/original/file-20230529-23-6xjh0a.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Vue d'artiste d'Einstein Telescope</span> </figcaption></figure><p>Les <a href="https://www.dunod.com/sciences-techniques/poursuite-ondes-gravitationnelles-dernieres-nouvelles-univers">ondes gravitationnelles</a> ont été prédites en 1916 par Albert Einstein : elles sont alors une conséquence logique de sa nouvelle théorie de la gravitation, la relativité générale.</p>
<p>Mais ces infimes déformations de l’<a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Espace-temps">espace-temps</a> sont longtemps restées un concept abstrait. Ce n’est qu’après la conférence de Chapel Hill aux États-Unis en 1957 que des scientifiques envisagent la possibilité de les détecter. Les premières études de détecteurs ne voient le jour qu’à la décennie suivante : des « barres résonnantes » puis des interféromètres sont proposés, de plus en plus grands pour être de plus en plus sensibles.</p>
<p>Si ce principe de détection a effectivement démontré toute sa puissance lors de la dernière décennie, soit cent ans après la prédiction d’Einstein, nous sommes aujourd’hui à nouveau confrontés aux défis d’augmenter la sensibilité – et donc la taille – des détecteurs d’ondes gravitationnelles, pour sonder l’univers plus loin, plus complètement et plus précisément.</p>
<h2>Les prouesses des détecteurs d’ondes gravitationnelles</h2>
<p>Ce n’est qu’en 2015 que les <a href="https://theconversation.com/les-ondes-gravitationnelles-laventure-continue-74817">premières ondes gravitationnelles</a> ont été <a href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102">détectées</a>. Puis, en août 2017, alors que des satellites détectent un « flash » de rayons gamma (des photons plus énergétiques que ceux de la lumière visible), ces <a href="https://theconversation.com/a-lecoute-des-murmures-de-lunivers-ma-belle-aventure-autour-dune-decouverte-astronomique-87808">détecteurs capturent conjointement les signaux d’une fusion de deux étoiles à neutrons</a>. Grâce à leur <a href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101">fonctionnement en réseau</a>, ils peuvent déterminer la localisation précise de cet événement cosmique majeur et <a href="https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9">indiquer aux télescopes traditionnels où pointer afin d’observer les suites de la fusion</a>.</p>
<p>Avec cet événement, baptisé GW170817, l’<a href="https://theconversation.com/lastronomie-multi-messagers-croiser-les-informations-pour-mieux-apprehender-lunivers-171074">astronomie multi-messagers</a> est née !</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/lastronomie-multi-messagers-croiser-les-informations-pour-mieux-apprehender-lunivers-171074">L’astronomie multi-messagers, croiser les informations pour mieux appréhender l’univers</a>
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<p>Entre 2015 et mars 2020 (lorsque les détecteurs LIGO et Virgo ont dû s’arrêter à cause de l’émergence de la pandémie de Covid-19), 90 signaux d’ondes gravitationnelles ont été <a href="https://arxiv.org/abs/2111.03606">détectés</a> : tous reflètent des fusions de deux astres compacts, trous noirs et/ou étoiles à neutrons. L’augmentation rapide du nombre de détections est le reflet de la stratégie suivie depuis près de trente ans : une alternance de campagnes de prises de données et de phases d’amélioration des instruments pour les rendre plus sensibles. Ce processus se poursuit actuellement avec le démarrage, le 24 mai 2023, d’une nouvelle prise de données commune, qui voit le détecteur japonais KAGRA s’ajouter à ceux de LIGO et Virgo.</p>
<figure> <img src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/GW_propagating_surface_bin.gif"><figcaption>Ondesgravitationnellesengendrées par un système binaire. La déformation se produit dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde. Source : Nicolas Douillet, Wikipédia </figcaption></figure>
<p>Cependant ce mode de fonctionnement ne pourra pas être poursuivi indéfiniment : dans quelques années, ce sont les infrastructures des instruments (géographie des sites, bâtiments construits, etc.) qui limiteront leurs progrès.</p>
<p>Pour aller plus loin, il faut construire de nouveaux détecteurs. Les futurs <a href="https://www.einsteintelescope.nl/fr/">« Einstein Telescope » européen</a> et <a href="https://cosmicexplorer.org/">« Cosmic Explorer » américain</a> seront basés sur le même principe que les instruments LIGO et Virgo, mais ils devront répondre à de multiples défis technologiques pour gagner un facteur dix en sensibilité afin de détecter des sources à des distances dix fois plus importantes que ce qui se fait aujourd’hui.</p>
<p>Ainsi, au top de sa forme, le <a href="https://apps.et-gw.eu/tds/?call_file=ET-0028A-20_EinsteinTelescopeScienceCaseDe.pdf">Einstein Telescope</a> devrait détecter des millions de sources chaque année. Parmi elles, plusieurs milliers seront aussi visibles par des télescopes « classiques », qui observent la lumière visible et invisible (ondes radio, infrarouge, rayons X, rayons gamma). Dans le cas d’une fusion de deux étoiles à neutrons (comme GW170817), il sera même possible de déterminer <a href="https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abed54">plusieurs heures en avance</a> le moment de la coalescence et de pointer des télescopes observant le ciel dans <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique">différentes gammes de longueurs d’ondes électromagnétiques</a> dans la bonne direction pour suivre toutes les phases du phénomène.</p>
<h2>Observer en détail les événements les plus énergétiques de l’Univers</h2>
<p>Ces observations multi-messagers amélioreront notre compréhension de l’Univers et de son histoire. Parmi toutes les études rendues possibles par ce foisonnement de détections, on peut citer trois exemples auxquels s’intéresse la communauté scientifique française qui s’est formée autour du projet Einstein Telescope.</p>
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<li><p>La compréhension des <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Sursaut_gamma">sursauts gamma</a>, qui comptent parmi les événements les plus énergétiques observés dans l’Univers ;</p></li>
<li><p>l’étude de la matière nucléaire qui compose les <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89toile_%C3%A0_neutrons">étoiles à neutrons</a> et l’importance de leurs fusions dans la <a href="https://theconversation.com/le-mystere-de-lor-cosmique-revele-au-coeur-des-etoiles-86532">production d’éléments chimiques lourds dans l’Univers</a> ;</p></li>
<li><p>enfin, des tests précis de la <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Introduction_%C3%A0_la_relativit%C3%A9_g%C3%A9n%C3%A9rale">relativité générale</a> dans des conditions extrêmes irréalisables sur Terre – par exemple tout près de <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Horizon_(trou_noir)">l’horizon des trous noirs</a>.</p></li>
</ul>
<p>Ce foisonnement de détections permettra d’étudier les différentes populations de sources d’ondes gravitationnelles, et même leur « évolution démographique » entre la première génération d’étoiles dans l’Univers, née il y a plus de 13 milliards d’années, et aujourd’hui – références : <a href="https://arxiv.org/abs/1912.02622">Einstein Telescope</a> et <a href="https://arxiv.org/abs/2109.09882">Cosmic Explorer</a>.</p>
<p>Observer aussi loin dans le passé sera un outil précieux pour mieux comprendre la formation des premiers astres. Cela apportera aussi un nouvel éclairage sur la matière noire et testera par exemple l’hypothèse qu’elle soit formée de trous noirs primordiaux, présents très tôt dans l’histoire de l’Univers.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/les-ondes-gravitationnelles-laventure-continue-74817">Les ondes gravitationnelles : l’aventure continue</a>
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<h2>Les nouveaux détecteurs d’ondes gravitationnelles seront plus sensibles</h2>
<p>Les phénomènes qui limitent la <a href="https://theconversation.com/ondes-gravitationnelles-cinq-ans-apres-leur-detection-des-outils-toujours-plus-performants-171077">sensibilité des détecteurs actuels</a> sont le bruit sismique à très basse fréquence (en dessous de quelques hertz), le bruit thermique des surfaces des miroirs ou des fils qui les suspendent (c’est-à-dire l’agitation microscopique des atomes qui les composent), et enfin l’incertitude sur le faible nombre de photons détectés en sortie d’un détecteur interférométrique d’ondes gravitationnelles.</p>
<p>Pour pallier ces différents problèmes, il sera nécessaire de construire des détecteurs de plus grande taille, voire de les dédoubler car l’expérience acquise sur les instruments actuels montre qu’il est très difficile de les optimiser simultanément pour les sources « massives », détectées à basse fréquence, et pour les sources « plus légères » qui émettent des ondes gravitationnelles à plus haute fréquence.</p>
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<figcaption><span class="caption">Présentation du Einstein Telescope. Source : Einstein Telescope.</span></figcaption>
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<p>Ainsi, le <a href="https://www.et-gw.eu">projet Einstein Telescope actuel</a> (qui sera certainement amené à évoluer dans les prochaines années) prévoit des bras de 10 kilomètres pour les détecteurs. Ces derniers seront enterrés à environ 150 mètres sous terre car le bruit sismique est moins fort en profondeur qu’en surface. Comme plusieurs détecteurs sont nécessaires pour localiser une source d’ondes gravitationnelles dans le ciel, Einstein Telescope ne sera pas un instrument unique – comme le détecteur Virgo l’est aujourd’hui pour la collaboration éponyme. Il sera formé de trois instruments sur le même site, disposés pour former un triangle équilatéral : chaque instrument sera centré sur l’un des sommets du triangle et ses bras s’étendront le long des deux côtés adjacents du triangle. En fait chaque instrument sera dédoublé (pour un total de six détecteurs), comme expliqué ci-dessus. Il faudra donc assembler environ 120 kilomètres de <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Ultravide">tubes à vide</a>, soit quatre fois la circonférence du grand collisionneur de particules LHC au CERN.</p>
<h2>Einstein Telescope : comment concrétiser le projet</h2>
<p>Le projet « Einstein Telescope » est actuellement dans une phase préparatoire financée par la Commission européenne, qui doit durer quatre années, de 2022 à 2025. Elle permettra de définir dans le détail les configurations des différents détecteurs, d’identifier les domaines qui nécessitent des activités de recherche et développement pour aller au-delà des technologies actuelles, et de sélectionner le site d’accueil de l’expérience.</p>
<p>Après l’approbation finale du projet et son financement, la phase de construction et de mise en route des différents interféromètres s’étalera sur une période d’une dizaine d’années. Aujourd’hui, deux sites sont candidats pour héberger cette nouvelle infrastructure de recherche fondamentale. Le premier est aux Pays-Bas à côté de la ville de Maastricht et un des sommets du triangle serait situé en Belgique. Le second, l’ancienne mine de Sos Enattos, est en Sardaigne, sur la commune de Lula. Pour chaque site, une étude poussée est en cours afin d’étudier sa stabilité sismique, les propriétés mécaniques des roches le composant, la quantité d’eau infiltrée dans le sous-sol et qu’il faudra extraire au cours des 50 ans que doit durer Einstein Telescope, etc.</p>
<p>Une quinzaine de laboratoires français sont aujourd’hui impliqués dans la phase de définition du Einstein Telescope. Leurs activités portent sur la conception des détecteurs (enceinte à vide, schéma optique par exemple) et les analyses de données (passer d’une situation comme celle d’aujourd’hui, où les signaux sont rares, à un régime où les détections sont permanentes et se superposent souvent, change complètement les paradigmes qui sous-tendent les stratégies d’analyse) – que ce soit pour l’astrophysique, la cosmologie, la physique nucléaire ou les tests de la relativité générale.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/204826/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Nicolas Leroy a reçu des financements du CNRS, du labex P2IO, de l'European Gravitational-wave Observatory (EGO), de l'Agence National de la Recherche (ANR) et de l'Union Européenne.</span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Nicolas Arnaud ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Dix fois plus sensible que les précédents détecteurs d’ondes gravitationnelles, le Einstein Telescope doit ouvrir de nouvelles fenêtres sur le cosmos.Nicolas Arnaud, Chercheur CNRS, Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab) - CNRS, Université de Paris, Université Paris-SaclayNicolas Leroy, Charge de recherche CNRS au Laboratoiredes 2 infinis Irène Joliot-Curie -- CNRS, Université Paris Cité, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1884682022-08-18T17:37:11Z2022-08-18T17:37:11ZLes journées sur Terre sont mystérieusement devenues plus longues, et les scientifiques ne savent pas (encore) pourquoi<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/478542/original/file-20220810-4757-f6ovoe.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=5%2C51%2C3788%2C1843&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Les journées sur Terre deviennent-elles plus longues? </span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://pixnio.com/fr/espace-fr/planete-terre-univers-galaxie">Pixnio</a></span></figcaption></figure><p>Des <a href="https://first-tf.fr/grand-public-scolaires/comment-ca-marche/les-horloges-atomiques/">horloges atomiques</a> associées à des mesures astronomiques précises ont récemment révélé que la durée d’un jour sur Terre s’allongeait soudainement. Ce phénomène a des répercussions critiques non seulement sur notre mesure du temps, mais aussi sur des éléments tels que les GPS et d’autres technologies qui régissent notre vie moderne.</p>
<p>Au cours des dernières décennies, la rotation de la Terre autour de son axe, qui détermine la durée d’une journée, s’est accélérée. Cette tendance a raccourci nos journées ; en fait, en juin 2022 <a href="https://www.timeanddate.com/news/astronomy/shortest-day-2022">nous avons atteint le record</a> du jour le <a href="https://www.lepoint.fr/astronomie/le-29-juin-2022-le-jour-le-plus-court-jamais-enregistre-sur-terre-03-08-2022-2485341_1925.php">plus court</a> depuis environ un demi-siècle.</p>
<p>Mais malgré ce record, depuis 2020, cette accélération constante s’est curieusement transformée en ralentissement : les jours rallongent à nouveau, et la raison en demeure pour le moment inconnue.</p>
<p>Si les horloges de nos téléphones indiquent qu’une journée compte exactement 24 heures, le temps réel nécessaire à la Terre pour effectuer une seule rotation varie très légèrement. Ces changements se produisent sur des périodes allant de millions d’années à presque instantanément – même les tremblements de terre et les tempêtes peuvent jouer un rôle. Ainsi il s’avère qu’un jour correspond très rarement au nombre magique de 86 400 secondes.</p>
<h2>La planète en perpétuel changement</h2>
<p>Depuis des millions d’années, la rotation de la Terre ralentit en raison des effets de friction associés aux marées provoquées par la Lune. Ce processus ajoute environ 2,3 millisecondes à la longueur de chaque jour chaque siècle. Il y a quelques milliards d’années, un jour terrestre ne durait que <a href="https://www.science.org/content/article/average-earth-day-used-be-less-19-hours-long">19 heures</a>.</p>
<p>Au cours des 20 000 dernières années, un autre processus a fonctionné en sens inverse, accélérant la rotation de la Terre. À la fin de la dernière période glaciaire, la <a href="https://interstices.info/modeliser-et-simuler-la-fonte-des-calottes-polaires/">fonte des calottes polaires</a> a réduit la pression à la surface, et le manteau terrestre a commencé à se déplacer régulièrement vers les pôles.</p>
<p>De même qu’un danseur de ballet tourne plus vite lorsqu’il rapproche ses bras de son corps – l’axe autour duquel il tourne –, la vitesse de rotation de notre planète augmente lorsque cette masse de manteau se rapproche de l’axe de la Terre. Et ce processus raccourcit chaque jour d’environ 0,6 milliseconde par siècle.</p>
<p>Sur des décennies et plus, le lien entre l’intérieur et la surface de la Terre entre également en jeu. Les grands tremblements de terre peuvent modifier la longueur du jour, bien que normalement par de petites quantités. Par exemple, le <a href="https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/seisme-Sendai-Japon-2011.xml">grand tremblement de terre de Tōhoku</a> de 2011 au Japon, d’une magnitude de 8,9, aurait accéléré la rotation de la Terre d’une quantité relativement minime <a href="https://www.space.com/11115-japan-earthquake-shortened-earth-days.html">1,8 microseconde</a>.</p>
<p>En dehors de ces changements à grande échelle, sur des périodes plus courtes, le temps et le climat ont également des impacts importants sur la rotation de la Terre, provoquant des variations dans les deux sens.</p>
<p>Les cycles bimensuels et mensuels des marées déplacent la masse autour de la planète, entraînant des modifications de la durée du jour pouvant aller jusqu’à une milliseconde dans les deux sens. <a href="https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2013JB010830">Nous pouvons observer les variations des marées</a> dans les enregistrements de la longueur du jour sur des périodes allant jusqu’à 18,6 ans. Le mouvement de notre atmosphère a un effet particulièrement fort, et les courants océaniques jouent également un rôle. La couverture neigeuse et les précipitations saisonnières, ou l’extraction des eaux souterraines, modifient encore les choses.</p>
<h2>Pourquoi la Terre ralentit-elle soudainement ?</h2>
<p>Depuis les années 1960, lorsque les opérateurs de radiotélescopes autour de la planète ont commencé à concevoir des techniques pour <a href="https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Observations_Very_Long_Baseline_Interferometry_VLBI">observer simultanément des objets cosmiques comme les quasars</a>, nous disposons d’estimations très précises de la vitesse de rotation de la Terre.</p>
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<figcaption><span class="caption">L’utilisation de radiotélescopes pour mesurer la rotation de la Terre implique l’observation de sources radio comme les quasars. NASA Goddard.</span></figcaption>
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<p>Une comparaison entre ces estimations et une horloge atomique a révélé une longueur de jour apparemment toujours plus courte au cours des dernières années.</p>
<p>Mais il y a une révélation surprenante une fois que nous enlevons les fluctuations de la vitesse de rotation que nous savons se produire en raison des marées et des effets saisonniers. Bien que la Terre ait atteint son jour le plus court le 29 juin 2022, la trajectoire à long terme semble être passée du raccourcissement à l’allongement depuis 2020. Ce changement est sans précédent au cours des 50 dernières années.</p>
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À lire aussi :
<a href="https://theconversation.com/we-found-the-first-australian-evidence-of-a-major-shift-in-earths-magnetic-poles-it-may-help-us-predict-the-next-155040">We found the first Australian evidence of a major shift in Earth's magnetic poles. It may help us predict the next</a>
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<p>La raison de ce changement n’est pas claire. Il pourrait être dû à des changements dans les systèmes météorologiques, comme des <a href="https://www.futura-sciences.com/planete/definitions/climatologie-nina-10170/">phénomènes climatiques La Niña</a> consécutifs, bien que ceux-ci se soient déjà produits auparavant. Il pourrait s’agir d’une fonte accrue des calottes glaciaires, bien que celles-ci n’aient pas beaucoup dévié de leur rythme de fonte régulier ces dernières années. Pourrait-elle être liée à l’énorme explosion du volcan Tonga <a href="https://www.abc.net.au/news/2022-08-03/tonga-volcanic-eruption-could-temporarily-warm-the-earth/101297676">injectant d’énormes quantités d’eau dans l’atmosphère</a> ? Probablement pas, étant donné que cela s’est produit en janvier 2022.</p>
<p><a href="https://www.timeanddate.com/news/astronomy/shortest-day-2022">Les scientifiques ont émis l’hypothèse</a> que ce changement récent et mystérieux de la vitesse de rotation de la planète est lié à un phénomène appelé <a href="https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-mars-premiere-detection-oscillation-chandler-85200/">« oscillation de Chandler »</a> – une petite déviation de l’axe de rotation de la Terre avec une période d’environ 430 jours. Les observations des radiotélescopes montrent également que l’oscillation a diminué ces dernières années ; les deux phénomènes pourraient être liés.</p>
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<p>Une dernière possibilité, qui nous semble plausible, est que rien de spécifique n’a changé à l’intérieur ou autour de la Terre. Il pourrait simplement s’agir d’effets de marée à long terme fonctionnant en parallèle avec d’autres processus périodiques pour produire un changement temporaire de la vitesse de rotation de la Terre.</p>
<h2>Avons-nous besoin d’une « seconde intercalaire négative » ?</h2>
<p>La connaissance précise de la vitesse de rotation de la Terre est cruciale pour une foule d’applications – les systèmes de navigation tels que le GPS ne fonctionneraient pas sans elle. De plus, tous les deux ou trois ans, les chronométreurs insèrent des <a href="http://michel.lalos.free.fr/cadrans_solaires/doc_cadrans/seconde_intercalaire/seconde_intercalaire.html">secondes intercalaires</a> dans nos échelles de temps officielles pour s’assurer qu’elles ne se désynchronisent pas avec notre planète.</p>
<p>Si la Terre devait passer à des jours encore plus longs, nous pourrions avoir besoin d’incorporer une « seconde intercalaire négative » – ce qui serait sans précédent et <a href="https://arstechnica.com/science/2022/08/record-short-days-could-speed-up-debate-on-leap-seconds/">pourrait briser l’internet</a>.</p>
<p>La nécessité de secondes intercalaires négatives est considérée comme peu probable pour le moment. Pour l’instant, nous pouvons nous réjouir de la nouvelle que – au moins pendant un certain temps – nous avons tous quelques millisecondes supplémentaires chaque jour.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/188468/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Matt King a reçu des financements du Australian Research Council, the Department of Climate Change, Energy, the Environment and Water, the Department of Industry, Science and Resources, and the Australian National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS). Il a précédemment était financé par le Centre for Southern Hemisphere Oceans Research.</span></em></p><p class="fine-print"><em><span>Christopher Watson a reçu des fonds du Australian National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) et du Australian Research Council.
</span></em></p>Bien que la Terre ait atteint son jour le plus court le 29 juin 2022, la trajectoire à long terme semble être passée du raccourcissement à l’allongement depuis 2020. Un mystère pour la recherche.Matt King, Director of the ARC Australian Centre for Excellence in Antarctic Science, University of TasmaniaChristopher Watson, Senior Lecturer, School of Geography, Planning, and Spatial Sciences, University of TasmaniaLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1834792022-07-11T18:24:13Z2022-07-11T18:24:13ZGrands séismes : peut-on les détecter plus rapidement grâce à l’IA ?<p>Le bilan provisoire du violent séisme qui a frappé le Maroc dans la nuit de vendredi à samedi ne cesse d’augmenter. Il est désormais de plus de 2 000 morts, a précisé le ministère de l’Intérieur.</p>
<p>Selon le Centre national pour la recherche scientifique et technique, l’épicentre de la secousse se situait dans la province d’al-Haouz, au sud-ouest de Marrakech et le tremblement de terre a provoqué d’importants dégâts dans plusieurs villes</p>
<p>Au cours des trente dernières années, les tremblements de terre et les tsunamis qu’ils génèrent ont causé la mort de <a href="https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/lists-maps-and-statistics">près d’un million de personnes</a>. Si la prédiction en tant que telle de ces événements est <a href="https://theconversation.com/seismes-pourquoi-on-ne-peut-pas-les-prevoir-58754">impossible</a>, des systèmes d’alerte ont été mis en place pour <a href="https://theconversation.com/que-savons-nous-vraiment-des-seismes-que-faire-pour-nous-en-proteger-61452">limiter le coût humain et matériel</a> de ces catastrophes.</p>
<p>Ces systèmes ne prédisent pas le futur, mais essaient de détecter les séismes et d’estimer le plus rapidement possible leur magnitude. Actuellement, ils utilisent les ondes sismiques pour tenter de prévenir les populations quelques secondes avant les secousses, même si malheureusement le résultat n’est pas toujours au rendez-vous.</p>
<p>Les tsunamis se propagent plus lentement, laissant plus de temps pour agir ce qui est généralement (<a href="https://theconversation.com/alertes-aux-seismes-et-tsunamis-comment-gagner-de-precieuses-secondes-139913">quelques dizaines de minutes</a>). Cependant, les systèmes d’alerte éprouvent de grandes difficultés à évaluer rapidement la magnitude des très grands séismes. Par exemple, le système japonais a estimé une magnitude de 8 au lieu de 9 lors du séisme de 2011, et donc une vague de 3 mètres au lieu de 15, une erreur aux conséquences dramatiques à Fukushima.</p>
<p>Afin d’améliorer les systèmes d’alerte sismique et tsunami, nous travaillons actuellement sur un algorithme d’intelligence artificielle (IA), basé sur des ondes d’origine gravitationnelle, qui estime de manière plus fiable et plus rapide la magnitude des grands séismes.</p>
<h2>Les systèmes d’alerte sismique</h2>
<p>Les signaux sismiques enregistrés le plus tôt sur les sismomètres sont les ondes de compression (dites ondes P). Ces ondes se propagent à environ 6,5 km par seconde. Si vous êtes 65 km plus loin de l’épicentre que les capteurs les plus proches, vous allez donc ressentir les premières secousses 10 secondes après que ces capteurs aient enregistré les premières ondes P. En pratique, en prenant en compte le temps de transmission et de traitement de ces ondes, vos 10 secondes seront probablement réduites à 5 ou 6.</p>
<p>Mais les ondes les plus destructrices, les ondes de cisaillements (dites ondes S), se propageant légèrement plus lentement que les ondes P (à environ 3,5 km par seconde), il est possible d’anticiper de quelques secondes les plus fortes secousses. Sur ce principe, dans les pays pourvus de systèmes d’alerte sismique comme au Japon, lorsqu’un séisme est détecté proche de votre position, vous recevez un SMS d’alerte vous informant de l’imminence de secousses.</p>
<h2>Les systèmes d’alerte tsunami</h2>
<p>Malheureusement, pour des raisons à la fois instrumentales et fondamentales, les ondes P ne renseignent pas de manière fiable sur la magnitude des très grands séismes. Les systèmes d’alerte sismiques, basés sur ces ondes, s’avèrent ainsi incapables de faire la différence entre un séisme de magnitude 8 et un séisme de magnitude 9, posant un problème majeur pour l’estimation du tsunami, comme l’a illustré l’exemple de Fukushima en 2011. En effet, un séisme de magnitude 9 est 30 fois plus « grand » qu’un séisme de magnitude 8, le tsunami qu’il génère est donc considérablement plus important.</p>
<p>Pour estimer de manière plus fiable la magnitude des grands séismes, des systèmes d’alerte basés sur un autre type d’ondes, appelé phase W, <a href="https://theconversation.com/alertes-aux-seismes-et-tsunamis-comment-gagner-de-precieuses-secondes-139913">ont été développés</a>. La phase W a une bien meilleure sensibilité à la magnitude que les ondes P, mais se propage beaucoup plus lentement. On l’enregistre entre 10 et 30 minutes après l’origine du séisme, soit peu de temps avant l’arrivée du tsunami.</p>
<h2>La découverte des signaux gravitationnels</h2>
<p>En 2017, des signaux jusqu’alors <a href="https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aao0746">inconnus ont été découverts</a>. Ces signaux, appelés PEGS pour « prompt elasto-gravity signals » (signaux élasto-gravitationnels soudains), ont laissé entrevoir une possibilité nouvelle d’estimer plus rapidement et de manière plus fiable la <a href="https://theconversation.com/quantifier-au-plus-vite-les-seismes-pour-ameliorer-lalerte-88673">magnitude des grands séismes</a>. Lorsqu’un séisme se produit, une immense masse de roche est mise en mouvement de manière soudaine. Cette masse de roche en mouvement engendre une perturbation du champ de gravité terrestre (la pesanteur). Cette perturbation est extrêmement faible, mais se propage à la manière d’une onde gravitationnelle, à la vitesse de la lumière. De manière instantanée à l’échelle de la Terre. La gravité étant une accélération et les sismomètres enregistrant l’accélération du sol, les PEGS sont enregistrés par nos instruments de mesure « classiques ». De plus, ces signaux sont très sensibles à la magnitude, beaucoup plus que les ondes P dans le cas des grands événements.</p>
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<img alt="Illustration de l’algorithme d’IA capable d’estimer la magnitude des grands séismes à partir de signaux gravitationnels (les PEGS) se propageant à la vitesse de la lumière, bien plus vite que les ondes sismiques (P et S)" src="https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/471575/original/file-20220629-13-fkri9x.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Illustration de l’algorithme d’IA capable d’estimer la magnitude des grands séismes à partir de signaux gravitationnels (les PEGS) se propageant à la vitesse de la lumière, bien plus vite que les ondes sismiques (P et S).</span>
<span class="attribution"><span class="source">Quentin Bletery</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>Les PEGS disposent donc des caractéristiques idéales pour alimenter un système d’alerte. Cependant, leur détection est rendue difficile par leur très faible amplitude. (environ un million de fois plus faibles que les ondes P). Comment exploiter des signaux si faibles pour alerter ?</p>
<h2>Une IA pour exploiter les signaux gravitationnels</h2>
<p>La technologie émergente de l’IA s’avère très performante pour extraire rapidement des signaux faibles dans de grands volumes de données bruitées. Nous avons développé un algorithme d’IA qui estime toutes les secondes la magnitude du séisme en cours à partir des PEGS]Il est donc nécessaire de mettre au point de nouveaux systèmes plus fiables et rapides, afin d’avoir une stratégie de mise à l’abri la plus efficace possible. Nous avons développé un algorithme d’intelligence artificielle (IA), se basant sur des ondes d’origine gravitationnelle se propageant à la vitesse de la lumière, pour estimer de manière plus rapide et plus fiable la magnitude des grands séismes., publié très récemment dans <a href="https://www.nature.com/articles/s41586-022-04672-7"><em>Nature</em></a>. Comme les grands séismes sont rares, nous avons simulé des centaines de milliers de scénarios de séismes possibles le long des grandes failles japonaises.</p>
<p>[<em>Plus de 85 000 lecteurs font confiance aux newsletters de The Conversation pour mieux comprendre les grands enjeux du monde</em>. <a href="https://memberservices.theconversation.com/newsletters/?nl=france&region=fr">Abonnez-vous aujourd’hui</a>]</p>
<p>Dans chaque scénario, nous avons calculé les PEGS attendus sur tous les sismomètres de la région et entraîné l’IA à « trouver » la magnitude et la localisation du séisme en lui donnant la réponse à chaque fois. Nous avons ensuite testé la performance de l’IA sur les données enregistrées lors du séisme de Fukushima. Les résultats indiquent que l’on aurait pu estimer la magnitude du séisme dès la fin de la rupture (soit 2 minutes après l’origine de l’événement), et donc obtenir très rapidement une bien meilleure estimation de la hauteur de la vague.</p>
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<img alt="Graphe comparant la performance de l’IA aux systèmes de détection classiques" src="https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=327&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=327&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=327&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=411&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=411&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/471574/original/file-20220629-14-18jeri.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=411&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Performance de l’IA par rapport au système en place en 2011 lors du séisme de Fukushima.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Quentin Bletery</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
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</figure>
<p>Les résultats étant encourageants, nous passons désormais à la phase d’implémentation de l’algorithme dans un système d’alerte opérationnel, en commençant par le Pérou <a href="https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016JB013080">où l’on attend un très gros évènement</a> (qui pourrait intervenir demain comme dans 300 ou 600 ans). Nous travaillons également à améliorer les performances de l’algorithme pour les séismes de magnitude plus modérée. Il fonctionne dans sa version actuelle pour les séismes de magnitude supérieure à 8,3, ce qui le rend déjà très utile pour l’estimation des tsunamis (qui ne concernent que ces très grands séismes) mais limite grandement les possibilités pour alerter sur les secousses (car ces dernières sont ressenties dans la plupart des cas avant que le séisme n’atteigne une telle magnitude).</p>
<p>Enfin, nous ambitionnons de développer une version mondiale de cet algorithme qui utiliserait des sismomètres pour alerter sur des séismes se produisant partout sur Terre, offrant ainsi une « couverture » d’alerte mondiale particulièrement intéressante pour des régions peu équipées.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/183479/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Quentin Bletery a reçu des financements de l'European Research Council (ERC), de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l’Université Côte d’Azur et de l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD). </span></em></p>L’exploitation d’ondes gravitationnelles par une IA pourrait permettre d’améliorer les systèmes de détection des séismes et de leur magnitude.Quentin Bletery, Géophysicien, chargé de Recherche IRD au laboratoire Géoazur., Institut de recherche pour le développement (IRD)Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1710742022-01-23T17:32:27Z2022-01-23T17:32:27ZL’astronomie multi-messagers, croiser les informations pour mieux appréhender l’univers<p>Historiquement, c’est la lumière visible qui a permis d’observer le ciel, d’abord à l’œil nu puis avec un télescope. Plus récemment, les radiotélescopes et les détecteurs de rayons X et gamma installés sur des satellites ont enrichi notre compréhension de l’univers.</p>
<p>Les instruments ont beaucoup évolué et se sont largement diversifiés afin de collecter les informations les plus variées possible. Mais <em>in fine</em>, c’est le même objet physique qui est observé : le photon. C’est la particule qui transporte la lumière que l’on voit, mais aussi les rayons X des radios, lorsqu’ils sont de plus haute énergie, ou encore les micro-ondes avec lesquels on réchauffe les plats de la veille. C’est le grand changement que connaît l’astronomie depuis quelques années.</p>
<p>En effet, il est désormais possible d’observer des sources astrophysiques par le biais d’autres signaux, apportant des informations nouvelles, inaccessibles par les seules ondes électromagnétiques.</p>
<h2>4 « messagers » pour étudier l’univers</h2>
<p>À ce jour, quatre « messagers » sont disponibles pour étudier l’univers :</p>
<ul>
<li><p>les photons</p></li>
<li><p>Les neutrinos : des particules neutres produites lors de réactions nucléaires, particulièrement difficiles à observer à cause de leur très faible interaction avec la matière. Les expériences ANTARES et IceCube recherchent les émissions astrophysiques de neutrinos très énergétiques.</p></li>
<li><p>Les rayons cosmiques : des particules chargées accélérées par des « accélérateurs cosmiques » jusqu’à des énergies bien supérieures au meilleur accélérateur de particules : le LHC du CERN. Ils sont détectés au sol, entre autres, par les expériences HESS, Pierre Auger et bientôt CTA.</p></li>
<li><p>Les ondes gravitationnelles : des vibrations de l’espace-temps produites lorsqu’un objet massif est accéléré. Trois instruments détectent ces signaux depuis quelques années : les deux détecteurs Ligo construits aux États-Unis et Virgo en Italie.</p></li>
</ul>
<p>Observer une même source astrophysique via au moins deux messagers permet d’avoir une vision plus complète des mécanismes physiques en jeu. Cette perspective constitue la motivation première de ce que l’on appelle l’astronomie multi-messagers.</p>
<h2>Les débuts de l’astronomie multi-messagers</h2>
<p>La toute première observation multi-messagers a eu lieu en 1987, lorsqu’une étoile située dans une petite galaxie satellite de la Voie lactée a explosé en une supernova très brillante, observée à la fois par les télescopes optiques classiques et par des détecteurs de neutrinos.</p>
<p>Ces particules ont été émises en très grand nombre, quelques heures avant l’explosion, lorsque l’étoile en fin de vie, devenue incapable de résister à la gravité induite par sa propre masse, s’est effondrée sur elle-même.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"1464608006134538244"}"></div></p>
<p>Mais si l’événement a marqué l’histoire de l’astrophysique, c’est grâce à la proximité de l’explosion (à l’échelle de l’univers). Si les supernovae sont assez courantes dans l’univers – plusieurs sont découvertes chaque semaine – il faut que l’étoile qui explose soit dans notre galaxie ou son proche voisinage pour que les neutrinos soient détectables.</p>
<p>On estime qu’une supernova ne se produit qu’une à deux fois par siècle dans la Voie lactée, ce qui limite drastiquement le nombre d’observations. C’est la difficulté majeure de l’astronomie multi-messagers : il faut que chacun des messagers soit détectable sur Terre, ce qui exige des détecteurs particulièrement sensibles. C’est pourquoi les études en la matière n’ont émergé que récemment.</p>
<h2>Onde gravitationnelle, sursaut gamma et kilonova</h2>
<p>C’est à l’été 2017 que tout change pour l’astronomie multi-messager.</p>
<p>Il y a un peu plus de cent millions d’années, après une très longue danse, les restes de deux étoiles massives, appelées étoiles à neutrons, ont fusionné en émettant une onde gravitationnelle. Celle-ci s’est alors propagée jusqu’à nous, pour être finalement détectée le 17 août 2017 par Ligo et Virgo.</p>
<p>Lors de la collision, deux autres phénomènes se sont produits. D’une part l’émission d’un jet étroit et symétrique de rayons gamma, des photons de très haute énergie, appelé « sursaut gamma ». Il est arrivé sur Terre deux secondes après les ondes gravitationnelles et a été détecté par les satellites Fermi et Integral.</p>
<p>D’autre part, une fraction de la matière constituant les étoiles à neutrons a été éjectée sous forme de noyaux atomiques lourds. Ceux-ci, après avoir été rendus instables par la capture des neutrons projetés par la fusion, se désintègrent par radioactivité, ce qui chauffe le milieu environnant. Provoquant l’émission d’une lumière bleue lors des deux à trois premiers jours suivant la collision, puis rouge lorsque le milieu refroidit.</p>
<p>Ce deuxième phénomène, appelé kilonova, a été détecté une dizaine d’heures après l’onde gravitationnelle par le télescope terrestre Swope, déclenchant la plus grande campagne de suivi astronomique de l’histoire, impliquant près de 70 observatoires. Pendant plusieurs semaines, la communauté des astronomes a été en ébullition et la moisson de résultats a été colossale.</p>
<h2>Grandma, réseau international de télescopes</h2>
<p>À la fin de l’été 2017, les collaborations Ligo et Virgo arrêtent leurs observations afin d’améliorer leurs instruments et de les rendre encore plus sensibles.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=852&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=852&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=852&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1070&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1070&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/437911/original/file-20211215-21-ajjy8c.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1070&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Représentation temps-fréquence du signal de l’onde gravitationnelle détectée le 17 août 2017 par Ligo et Virgo. Le signal, appelé « chirp », est visible dans les détecteurs Ligo-Handford (en haut), Livingstone (au milieu), mais pas dans Virgo (en bas). Sa forme est caractéristique d’une fusion d’astres très dense.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Collaboration Ligo et Virgo</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Ce faisant, les ondes gravitationnelles deviennent d’excellentes candidates pour des observations multi-messagers régulières, puisque pour la prise de données suivante nommée « O3 », prévue pour la période d’avril 2019 à mars 2020, entre une et dix nouvelles fusions d’étoiles à neutrons sont attendues.</p>
<p>Cependant, pour maximiser les chances d’une nouvelle observation, il a fallu que les astronomes se préparent largement en amont de O3.</p>
<p>Détecter une nouvelle kilonova pose en effet deux problèmes majeurs : d’une part, pour des raisons liées à la fois aux détecteurs et à la manière dont sont analysées les données qu’ils produisent, il est difficile d’obtenir précisément l’endroit du ciel d’où la source émet l’onde, ce qui complique beaucoup la découverte d’une kilonova.</p>
<p>D’autre part, il faut la trouver dans les heures suivant la détection de l’onde gravitationnelle afin de comprendre les processus physiques à l’œuvre et affiner le plus possible les modèles décrivant les collisions d’étoiles à neutrons.</p>
<p>C’est pourquoi, en 2018, des télescopes du monde entier ont mis en commun une partie de leurs ressources afin de créer le réseau Grandma, capable d’observer à tout moment de grandes portions du ciel, répondant ainsi aux deux problèmes.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=641&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=641&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=641&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=805&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=805&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435339/original/file-20211202-13-1a8ndjh.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=805&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">La kilonova associée à l’événement GW170817 observée par le télescope Hubble. L’image en bas à gauche est la kilonova observée le 22 août 2017, cinq jours après sa découverte, les images suivantes ont été prises quelques jours après, et il est clairement visible que le phénomène faiblit.</span>
<span class="attribution"><span class="source">NASA and ESA : A. Levan (U. Warwick), N. Tanvir (U. Leicester), and A. Fruchter and O. Fox (STScI)</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
</figcaption>
</figure>
<h2>Fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir</h2>
<p>La campagne O3 a été très riche du point de vue des ondes gravitationnelles : au moins une nouvelle fusion d’étoiles à neutrons, malheureusement trop loin de la Terre et trop mal localisée dans le ciel pour y associer une kilonova ou un sursaut gamma avec certitude. Il y eut aussi la première observation de la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir, pour lesquels on peut aussi espérer observer une kilonova.</p>
<p>Pendant cette année d’observations, un signal d’onde gravitationnelle était détecté en moyenne chaque semaine, et Grandma a suivi la plupart d’entre eux avec ses télescopes.</p>
<p>Malgré cela, aucune contrepartie électromagnétique n’a été trouvée, ni par Grandma, ni par d’autres équipes.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=334&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=334&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=334&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=420&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=420&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435340/original/file-20211202-15-1afa2ar.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=420&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Grandma, un réseau de télescopes mondial. Chacun des points sur la carte indique un télescope utilisé pendant O3.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Collaboration Grandma</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span>
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</figure>
<h2>Perspectives pour les prochaines années</h2>
<p>À l’heure actuelle, les collaborations Ligo et Virgo améliorent leurs détecteurs et préparent la campagne O4 d’observation des ondes gravitationnelles, laquelle promet d’être particulièrement intense puisque les estimations actuelles sont autour d’une détection d’onde gravitationnelle par jour, contre seulement une par semaine pendant O3. L’un des gros enjeux sera donc de ne sélectionner et de ne suivre que les plus événements les plus susceptibles de produire une kilonova ou un sursaut gamma.</p>
<p>Par ailleurs, beaucoup de télescopes, notamment ceux de Grandma, ont été améliorés à la lumière des résultats de O3 afin d’augmenter les chances de détection de kilonova. Le début de la campagne O4 est prévu pour le second semestre 2022.</p>
<p>Un peu plus tard cette même année, l’Observatoire Vera Rubin, un télescope de plus de 8 mètres de diamètre, fera ses premières observations du ciel à la recherche d’objets et de phénomènes astrophysiques transitoires. Et parmi ses découvertes, les astronomes espèrent trouver quelques kilonovae.</p>
<p>L’ère de l’astronomie multi-messagers ne fait que débuter… et elle s’annonce rayonnante !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/171074/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Dans le cadre de mon doctorat je travaille dans les collaborations GRANDMA, LIGO et Virgo mentionnées dans cet article.</span></em></p>Depuis quelques années, l’astronomie est en mesure d’étudier l’univers à travers quatre biais différents, ce qui permet de compléter notre vision des mécanismes physiques en jeu.Pierre-Alexandre Duverne, Doctorant en astronomie multi-messagers, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1710772021-12-13T18:35:22Z2021-12-13T18:35:22ZOndes gravitationnelles : cinq ans après leur détection, des outils toujours plus performants<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/436421/original/file-20211208-137612-nzbqs7.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&rect=219%2C3%2C925%2C555&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Vue aérienne de l'instrument Virgo à Cascina, près de Pise en Italie. Chaque bras mesure 3 kilomètres.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://lejournal.cnrs.fr/articles/ondes-gravitationnelles-les-coulisses-dune-decouverte"> EGO-VIRGO/IN2P3/CNRS Photohèque</a>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span></figcaption></figure><p>Ce n’est pas tous les jours que l’on détecte un nouveau messager capable de nous en apprendre plus sur l’Univers et les astres extraordinaires qui le composent ! C’est pourquoi, lorsqu’en 2016 puis 2017 les ondes gravitationnelles se sont ajoutées aux ondes électromagnétiques, aux rayons cosmiques et aux neutrinos comme moyen d’observer le cosmos, la communauté scientifique s’est enthousiasmée.</p>
<p>Et son excitation s’est nourrie des découvertes annoncées alors : confirmation de l’existence des trous noirs avec la première détection baptisée <a href="http://events.lal.in2p3.fr/ElementaireNew/ElementaireN9/Detection9.pdf">GW150914</a>, puis <a href="https://theconversation.com/a-lecoute-des-murmures-de-lunivers-ma-belle-aventure-autour-dune-decouverte-astronomique-87808">naissance de l’« astronomie multimessager » avec ondes gravitationnelles</a> grâce à l’événement <a href="http://public.virgo-gw.eu/gw170817_fr/">GW170817</a>.</p>
<p>Cinq ans plus tard, qu’en est-il ? Que s’est-il passé depuis et quelles sont les perspectives pour les prochaines années ? Cet article propose de répondre à ces questions sous l’angle des détecteurs d’ondes gravitationnelles.</p>
<h2>Un réseau mondial des détecteurs</h2>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=337&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=337&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=337&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435374/original/file-20211202-25-x93glk.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Les différents détecteurs terrestres d’ondes gravitationnelles. LIGO India est un projet qui devrait se concrétiser dans les prochaines années.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Caltech/MIT/LIGO Lab</span></span>
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</figure>
<p>Les premières détections des ondes gravitationnelles ont représenté l’aboutissement d’une aventure scientifique de <a href="https://theconversation.com/les-ondes-gravitationnelles-une-histoire-cosmos-polite-89343">presque quarante ans</a>.</p>
<p>Un aboutissement certes, mais également le début d’une nouvelle phase, aussi excitante sur le plan scientifique que la première, et riche de nombreux défis technologiques. Il s’agit de faire des ondes gravitationnelles un outil d’observation de l’univers à part entière, c’est-à-dire multiplier les détections et analyser les signaux recueillis de manière globale, pour en tirer toutes les connaissances possibles sur les sources qui les ont émis.</p>
<p>À ce jour, toutes les détections ont été réalisées par des détecteurs terrestres géants formant un réseau global dont les données sont mises en commun et analysées ensemble par les collaborations internationales qui ont construit et exploitent ces instruments hors norme.</p>
<p>Les deux détecteurs <a href="https://www.ligo.org">LIGO</a> se trouvent aux États-Unis : à Hanford dans l’état de Washington et à Livingston en Louisiane. À Cascina, en Italie près de Pise, le site de l’<a href="https://www.ego-gw.it">European Gravitational Observatory</a> (EGO), accueille le détecteur européen <a href="https://www.virgo-gw.eu">Virgo</a>.</p>
<p>Au Japon, le détecteur souterrain <a href="https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/">KAGRA</a>, plus récent que LIGO et Virgo, se prépare à rejoindre le réseau. Enfin, le projet d’un <a href="https://www.ligo-india.in/">troisième détecteur LIGO situé en Inde</a> devrait se concrétiser dans la prochaine décennie.</p>
<h2>Chasser le « bruit » parasite</h2>
<p>Quel que soit le domaine, une détection revient toujours à faire ressortir un « signal » d’un « bruit » parasite qui pollue sa mesure en le couvrant, en partie ou totalement. La reconstruction de la partie signal dépend de la conception de l’instrument et du <a href="https://theconversation.com/le-traitement-du-signal-au-coeur-de-la-science-et-de-notre-vie-quotidienne-84156">traitement des données enregistrées</a>.</p>
<p>Mais concentrons-nous sur la partie « lutte contre le bruit », qui sous-tend l’évolution des détecteurs d’ondes gravitationnelles depuis plus de 25 ans. Toutes les personnes qui ont tenu en main un poste de radio ont fait l’expérience du réglage de l’orientation de son antenne pour remplacer un grésillement pénible par la musique émise par la station cherchée. Il se passe un peu la même chose pour les détecteurs géants Virgo ou LIGO.</p>
<p>Leurs données contiennent en permanence du bruit dont il s’agit de contrôler le niveau, de mieux comprendre les origines et, ensuite, de le diminuer le plus possible, par étapes. Cela commence dès la conception de l’appareillage en sélectionnant ses composants et en les assemblant avec soin – pour construire l’équivalent d’un poste de radio « (très) haute fidélité ».</p>
<h2>Entre prise de données et améliorations</h2>
<p>Ensuite, une fois l’instrument assemblé et fonctionnel, il s’agit de le régler au mieux, de manière à ce qu’il soit le plus performant et le plus stable possible.</p>
<p>Un détecteur n’est pas figé dans le temps, loin s’en faut : on peut – et on doit – l’améliorer pour détecter plus et détecter mieux. Mais ces actions sont souvent invasives : modifications importantes d’une partie du détecteur, changements de pièces, etc. Elles ne sont donc pas compatibles avec les prises de données pendant lesquelles l’instrument doit fonctionner en continu avec des temps d’intervention réduits au minimum.</p>
<p>C’est pourquoi LIGO et Virgo ont alterné ces dernières années phases d’amélioration et prise de données. Chaque interruption fait potentiellement rater des ondes gravitationnelles (puisque celles-ci continuent à arriver du cosmos de manière aléatoire) mais le but est que les progrès réalisés pendant un arrêt soient tels que la prise de données suivante permette de rattraper le « temps perdu » – en engrangeant bien plus de détections que si la prise de données précédente avait continué sur les mêmes bases.</p>
<h2>Des détecteurs plus sensibles et plus stables</h2>
<p>Fin août 2017, les deux détecteurs LIGO et Virgo clôturent leur campagne de prise de données 2016-2017. L’arrêt qui commence alors va durer une vingtaine de mois, jusqu’à fin mars 2019. Cette longue période est mise à profit pour améliorer les trois outils, tant au niveau de leur sensibilité que de leur stabilité.</p>
<p>Un détecteur plus sensible permet de mettre en évidence des signaux plus faibles : soit de nouvelles sources encore inconnues, soit des sources d’un type déjà connu, mais plus lointaines – l’amplitude d’une onde gravitationnelle sur Terre diminue avec l’éloignement de la source.</p>
<p>Et un instrument plus stable autorise non seulement des prises de données plus longues et plus régulières, mais aussi un réglage plus fin de son fonctionnement – les scientifiques ont plus de latitude pour l’étudier – ce qui améliore encore plus sa sensibilité. En bref, un cercle vertueux de progrès qui se répondent et s’enchaînent.</p>
<h2>Des résultats marquants pour la période 03</h2>
<p>Le 1<sup>er</sup> avril 2019 commence une nouvelle prise de données LIGO-Virgo, appelée « O3 » (pour « Observation Run 3 ») et prévue pour 12 mois au total.</p>
<p>Une première campagne de six mois dure jusqu’au 1<sup>er</sup> octobre 2019. Elle est suivie par un mois d’arrêt pour les trois détecteurs, afin de faire quelques ajustements et des tests incompatibles avec une phase de prise de données intensive.</p>
<p>Puis par une seconde campagne de six mois également, entamée le 1<sup>er</sup> novembre 2019. Cette prise de données n’aura au final duré que cinq mois : elle a été interrompue le 27 mars 2020 à cause de la progression de la pandémie mondiale de la Covid-19 et des restrictions associées, décidées dans de nombreux pays.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=171&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=171&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=171&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=215&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=215&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435377/original/file-20211202-23-xujys9.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=215&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Un résumé des progrès du détecteur Virgo entre l’été 2017 et la fin de la prise de données O3 au printemps 2020. Plus un détecteur est sensible et plus il pourra voir des sources d’ondes gravitationnelles éloignées. Cette propriété est exploitée sur le graphique ci-dessus qui montre l’évolution en fonction du temps de la « distance de détection record » de Virgo pour des fusions de deux étoiles à neutrons – le même type de source que dans le cas de GW170817. L’axe vertical utilise une unité adaptée pour l’astronomie : le mégaparsec qui vaut environ… 31 milliards de milliards de kilomètres ! À l’été 2017, Virgo affichait une distance de détection record autour de 28 Mpc. Dès le début de O3 (avril 2019) celle-ci montait à 50 Mpc, soit une augmentation de près de 80 %. Et un an plus tard, les 60 Mpc étaient atteints : soit 20 % d’augmentation supplémentaire pendant O3 (un résultat impressionnant vu le peu de temps disponible pour faire des tests lors d’une prise de données) et une valeur au final plus que doublée par rapport à 2017.</span>
<span class="attribution"><span class="source">La Collaboration Virgo</span></span>
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</figure>
<p>Même si la prise de données O3 s’est terminée prématurément, elle aura été un grand succès sur tous les plans. Au niveau expérimental, c’est la première fois que trois détecteurs aussi performants ont pris des données ensemble pendant une période si longue. Tous ont amélioré leur sensibilité par rapport aux campagnes précédentes et ont réussi à inscrire cette qualité dans la durée.</p>
<p>Des liens vers les résultats scientifiques les plus marquants de la période O3 et des ressources pédagogiques en français associées <a href="http://public.virgo-gw.eu/ressources-pedagogiques">sont disponibles en ligne</a>. En particulier, on y trouve des informations sur la <a href="https://www.in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/ondes-gravitationnelles-35-nouveaux-seismes-cosmiques-detectes-par-virgo-et-ligo">mise à jour la plus récente du catalogue d’ondes gravitationnelles</a> qui contient maintenant 90 signaux enregistrés sur la période 2015-2020.</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=325&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=325&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=325&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=409&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=409&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435380/original/file-20211202-23-jkcr1s.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=409&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Répartition (en pourcentages) du temps passé par le détecteur Advanced Virgo dans différents états pendant la prise de données O3. La part la plus importante – en vert sur le diagramme circulaire et étiquetée « science » – indique la durée de la prise de données : 76 % de O3, soit environ 251 jours complets répartis sur 11 mois. La deuxième part majeure – le « locking », en bleu, un peu plus de 7 % du total – comptabilise les périodes pendant lesquelles le détecteur était en cours de réglage pour l’amener dans sa configuration « science ». Autour de 7 % également, on trouve ensuite la part grise qui regroupe tous les moments où le détecteur avait un problème. Enfin, les 10 % restants – « commissioning », calibration et maintenance – rassemblent toutes les activités faites régulièrement sur le détecteur, pour l’entretenir ou l’améliorer. Ce graphique montre que l’efficacité du détecteur Virgo était déjà élevée pendant O3. La coordination entre les détecteurs LIGO et Virgo a permis d’optimiser l’efficacité du réseau : l’un au moins des trois détecteurs enregistrait des données près de 97 % du temps et, pendant la deuxième partie de la prise de données, les trois instruments ont fonctionné ensemble plus de la moitié du temps ! Cette dernière configuration est la meilleure pour localiser précisément dans le ciel la position d’une source d’ondes gravitationnelles.</span>
<span class="attribution"><span class="source">La Collaboration Virgo</span></span>
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</figure>
<h2>Prochaine étape à la mi-2022</h2>
<p>La fin de la période O3 a marqué le début d’un nouveau cycle avec – comme vous l’avez déjà certainement compris – une autre phase d’amélioration (en cours) précédant une nouvelle prise de données (dans le futur) baptisée… O4 ! Ce programme suit actuellement son cours, malgré des complications toujours liées à la Covid-19.</p>
<p>Difficile d’aller de l’avant quand chercheurs, ingénieurs ou techniciens sont confinés et subissent comme tout le monde les effets de la pandémie, quand toute activité demande un protocole particulier pour respecter distanciation et gestes barrière et que les commandes de matériel sont retardées par les fournisseurs, eux-mêmes soumis aux mêmes contraintes !</p>
<p>Ainsi, l’accès à EGO est limité depuis plus d’un an et demi et, pendant longtemps, les personnels dont l’activité ne pouvait pas se faire autrement qu’en présentiel ont eu la priorité pour venir sur le site – tandis que leurs collègues étaient invités à télétravailler.</p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=223&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=223&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=223&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=281&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=281&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/435548/original/file-20211203-19-y8zgmd.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=281&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Deux aspects complémentaires du programme d’amélioration à grande échelle Advanced Virgo Plus Phase I. À gauche, le réglage fin d’un composant du détecteur in situ en maintenant des conditions de propreté drastiques ; à droite, une opération de génie civil pour faire de la place pour un nouvel élément de l’appareillage le long d’un des deux « bras » de 3 km du détecteur.</span>
<span class="attribution"><span class="source">de gauche : IFAE -- Barcelona ; photo de droite : EGO/Fabozzi</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Le programme de peaufinement actuel du détecteur Virgo a été baptisé « Advanced Virgo Plus Phase I ». Sans faire pour autant de la sémantique, il est intéressant, avant de conclure, de décrypter ce titre pour mieux comprendre ce qui se cache derrière, tant au niveau des <a href="https://www.in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/un-grand-chantier-pour-multiplier-par-4-la-portee-du-detecteur-dondes-gravitationnelles-0">ambitions que de l’ampleur du projet</a>.</p>
<p>« Advanced Virgo » : les détecteurs LIGO et Virgo actuels sont des instruments de deuxième génération – « avancés » donc. Au cours des années 2010, ils ont remplacé les détecteurs initiaux construits et utilisés lors de la décennie précédente. Dès le démarrage de ces projets dans les années 1990, il apparaissait comme probable que ces premiers instruments ne seraient pas assez sensibles pour découvrir les ondes gravitationnelles. Mais ils étaient nécessaires pour démontrer la faisabilité de cette technologie et ouvrir la voie aux détecteurs avancés qui, eux, auraient plus de chance d’atteindre cet objectif.</p>
<p>« <em>Plus</em> » : les améliorations apportées au détecteur Virgo entre l’été 2020 et le printemps 2021 sont très conséquentes et ont quasiment donné naissance à un nouvel outil.</p>
<p>« Phase I » : le programme s’étale en fait sur plus de cinq ans et une deuxième vague d’améliorations est prévue après la période O4. Même si cette phase commencera au mieux dans deux ans, c’est maintenant qu’elle se prépare : bouclage du financement (plusieurs millions d’euros), finalisation du cahier des charges, contrats avec les fournisseurs, production des composants, etc.</p>
<p>La prise de données O4 devrait démarrer <a href="https://www.virgo-gw.eu/#news_o4_plans">fin 2022</a> ; la date exacte sera connue dans les prochains mois. On saura alors si les améliorations apportées actuellement sur les détecteurs Virgo et LIGO auront porté leurs fruits !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/171077/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Nicolas Arnaud est chercheur CNRS, actuellement détaché à l'European Gravitational Observatory (EGO). Il travaille principalement pour l'expérience Virgo.</span></em></p>Faisons le point sur les instruments qui ont permis de découvrir les ondes gravitationnelles, puis de les étudier. Depuis lors, ils alternent phases d’amélioration et campagnes de prise de données.Nicolas Arnaud, Chercheur CNRS, Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab) - CNRS, Université de Paris, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1682192021-11-25T20:43:09Z2021-11-25T20:43:09ZOndes gravitationnelles : le chant silencieux des trous noirs<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/432593/original/file-20211118-23-1k4l6hc.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&rect=44%2C35%2C2910%2C2002&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Duo de trous noirs qui dansent.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.ligo.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/67/titanic/GW170104a_close-up_spinning_black_holes.jpg?1496290097">LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/">CC BY-NC-ND</a></span></figcaption></figure><p>Les trous noirs dansent, et quand ils dansent, ils le font en couple. C’est d’ailleurs la norme dans l’Univers : la plupart des étoiles évoluent dans des systèmes dits binaires, formés par deux objets orbitant l’un autour l’autre.</p>
<p>Non seulement ils dansent, mais tandis qu’ils dansent, les trous noirs chantent également. Ce chant un peu singulier ne prend ni la forme d’un son, de la lumière, ni d’autres ondes électromagnétiques. C’est néanmoins bien un rayonnement avec ses rythmes, ses tons et ses harmoniques, même sa mélodie et ses différentes « voix »…</p>
<p>Un véritable chant, codifié dans des ondes dites gravitationnelles, qui permet d’identifier les plus fins détails des trous noirs qui lui correspondent et de leur danse orbitale : à la manière de l’ornithologue qui reconnaît dans le chant des oiseaux leur espèce et leurs caractéristiques, les astrophysiciens extraient à partir des ondes gravitationnelles les propriétés de chacun des trous noirs et de leur orbite.</p>
<h2>Perturbation dans la courbure de l’espace-temps</h2>
<p>L’existence de ces ondes, extrêmement difficiles à détecter, a été <a href="https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691117270/traveling-at-the-speed-of-thought">prédite par Albert Einstein en 1916</a>, juste après sa formulation de la relativité générale, qui n’est autre que la description théorique dont nous usons aujourd’hui pour expliquer la gravité. Cette théorie explique le phénomène gravitationnel en termes de ce qu’on désigne comme « courbure de l’espace-temps ».</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"933951484965916672"}"></div></p>
<p>Les ondes émises par les binaires de trous noirs, de nature gravitationnelle, sont alors des perturbations de cette courbure de l’espace-temps qui se propagent sur le propre espace-temps. Similaires aux ondes dans un étang, qui sont des perturbations de la surface de l’eau quand elles se propagent sur celle-ci.</p>
<p>Le 14 septembre 2015, l’antenne gravitationnelle Ligo a pour la première fois détecté directement ces ondes. Depuis, une cinquantaine des détections ont suivi jusqu’à la date présente, initiant une véritable nouvelle étape dans l’étude de l’Univers : l’astronomie des ondes gravitationnelles.</p>
<h2>Un fonctionnement similaire à celui des marées</h2>
<p>Mais décrire ces ondes comme des perturbations de la courbure de l’espace-temps est assez cryptique. Une approche plus intuitive fait appel à la notion plus familière de marée, notamment la montée et descente des océans deux fois par jour.</p>
<p>Celles-ci sont produites pour l’action gravitationnelle de la Lune et le Soleil, qui déforment la surface des océans dans une espèce d’ellipsoïde.</p>
<p>Étant donnée une position relative de la Terre-Lune-Soleil (qui définit ce que l’on appelle un « jour dans un mois »), cette déformation ellipsoïdale des océans est « stationnaire », c’est-à-dire que sa forme ne change pas. C’est la rotation de la Terre, dont la croûte (plus rigide) n’est pas déformée par les marées, qui fait qu’une côte donnée va passer deux fois par jour par une bosse de l’ellipsoïde des eaux (marées hautes) et deux fois par jour par un creux (marées basses).</p>
<p>C’est le phénomène familier des marées.</p>
<h2>Ondes gravitationnelles comme marées en propagation</h2>
<p>Que se passerait-il si, d’un coup, le Soleil et la Lune n’étaient plus là ? Les océans n’auraient plus de raison d’être déformés et récupéreraient une forme plus sphéroïdale.</p>
<p>Mais ce processus est soumis à deux contraintes : d’une part, l’information de la disparition de la Lune et du Soleil doit se propager à une vitesse finie (rien ne peut voyager plus rapidement que la lumière, selon la relativité restreinte d’Einstein). D’autre part, la relaxation des océans vers son état sans déformation se fait en oscillations autour le sphéroïde.</p>
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<figcaption><span class="caption">Les ondes gravitationnelles, qu’est-ce que c’est ? (Futura, 2016).</span></figcaption>
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<p>Une « onde gravitationnelle » est le phénomène physique qui informe des changements d’une source gravitationnelle (dans l’exemple, la Lune et le Soleil) moyennant un signal qui se propage à une vitesse finie et qui induit des oscillations dans la forme des corps trouvés sur son chemin (dans l’exemple, les océans).</p>
<p>Dans un sens littéral, les ondes gravitationnelles sont des marées dynamiques en propagation dans l’espace. Ce chant gravitationnel est un chant « silencieux », il s’exprime par les changements des « formes ».</p>
<h2>Aux origines des ondes gravitationnelles</h2>
<p>Quels sont les systèmes physiques qui produisent ces marées en propagation ? Autrement dit, quelles sont les « sources » de ces ondes ? La réponse est simple : n’importe quel système dont la « forme » change avec le temps est une source des ondes gravitationnelles. Ça peut être moi en agitant rapidement mes bras ou un système binaire des objets compacts astrophysiques.</p>
<p>Cela mène à un apparent paradoxe : si tout système qui se déforme dans le temps émet ces ondes, pourquoi ne sommes-nous pas entourés par ces marées qui déforment à leur tour tout objet trouvé sur leur chemin ? En réalité, elles sont bien là mais trop faibles pour être perceptibles. C’est le cas de moi quand j’agite mes bras. Seuls des objets très massifs ou avec des vitesses comparables à celle de la lumière, sont capables de produire des signaux appréciables, comme la binaire d’objets compacts.</p>
<p>Par conséquent, il nous faut regarder au-delà de la Terre pour identifier les bonnes sources. Et c’est ici que les trous noirs binaires, avec leurs grandes masses et leurs vitesses orbitales proches à celle de la lumière, entrent en scène.</p>
<h2>Percer le silence gravitationnel</h2>
<p>Revenons maintenant sur notre affirmation initiale qui avançait la capacité des binaires des trous noirs à « chanter ».</p>
<p>En fait, toutes les étoiles binaires « chantent » gravitationnellement, mais seules celles constituées d’objets très compacts (trous noirs, étoiles à neutrons, naines blanches…) chantent « assez fort ». Les autres font résonner leur mélodie trop « bas » pour qu’on les détecte : si tous les chants des systèmes binaires sont « silencieux », certains le sont plus que d’autres…</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"847389266959147009"}"></div></p>
<p>C’est donc grâce à un véritable tour de force technologique que les astrophysiciens sont parvenus à percer ce « silence gravitationnel ». La mise au point des interféromètres Laser, véritables antennes gravitationnelles, a permis la détection directe de ces ondes et l’accès à leur information astrophysique et cosmologique.</p>
<h2>Un réseau d’interféromètres sur la Terre</h2>
<p>Ces interféromètres sont formés par deux « bras » perpendiculaires d’exactement la même longueur, soumis à oscillations (étirements et compressions) lorsqu’une onde gravitationnelle les traverse. « L’interférométrie » optique permet de mesurer de manière très précise le changement relatif dans la longueur de ces bras, identifiant alors le passage d’une onde.</p>
<p>Étant donné que ces ondes gravitationnelles sont des phénomènes de marée et que leur effet est d’autant plus fort que la taille de l’objet déformé est grande, les bras des interféromètres font plusieurs kilomètres (4 km dans LIGO aux États-Unis).</p>
<p>Aujourd’hui, il existe un réseau d’interféromètres étendu sur la Terre, dont le fonctionnement simultané est crucial pour l’analyse de ces ondes. Pour étudier les objets les plus massifs, comme des trous noirs aux centres galactiques, il faudra construire des interféromètres à l’espace, ce qui est le cœur du programme spatial Lisa. Nous avons désormais des oreilles interférométriques pour écouter et déchiffrer le silencieux chant gravitationnel. Et sa mélodie est riche.</p>
<h2>Un champ de recherches majeur</h2>
<p>La découverte des ondes gravitationnelles a été un événement scientifique de premier ordre qui s’est traduit <a href="https://theconversation.com/les-ondes-gravitationnelles-quest-ce-que-cest-54487">dans le prix Nobel de physique de 2017</a>. En fait, l’étude de la gravité vit un moment particulièrement doux : trois des cinq derniers prix Nobel ont été décernés à des recherches menées dans le cadre de la gravitation.</p>
<p>En 2017, ce sont les ondes gravitationnelles qui ont été primées, et en 2019 le tour de la cosmologie physique et la découverte des exoplanètes. Le prix Nobel de 2020 a consacré quant à lui la prédiction théorique de trous noirs et son observation directe aux centres galactiques.</p>
<p>En ce moment, la synergie entre différentes disciplines est en train de percer de nouveaux horizons en cosmologie, astrophysique et physique fondamentale. En retour, l’univers gravitationnel nous chante pour nous dévoiler ses mystères.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/168219/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>José Luis Jaramillo ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Le « chant » des ondes gravitationnelles codifie les propriétés de la « dance » orbitale des trous noirs.José Luis Jaramillo, Professeur des Universités, Institut de Mathématiques de Bourgogne (IMB), Université de Bourgogne – UBFCLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1633702021-09-13T17:54:29Z2021-09-13T17:54:29ZFusion de trous noirs : d’où viennent ces phénomènes gravitationnels les plus violents de notre univers ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/420037/original/file-20210908-21-u0altz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C1200%2C675&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Simulation de la fusion de deux trous noirs stellaires, basée sur la relativité générale en utilisant les données LIGO-Virgo.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20160211d">SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes Project, Caltech and Cornell University</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span></figcaption></figure><p>L’astronomie gravitationnelle est née lors de la détection, en 2015, d’ondes gravitationnelles <a href="http://dx.doi.org/10.3847/2041-8205/826/1/L13">provenant de la fusion de deux trous noirs</a>. Depuis, de nombreux autres événements, <a href="https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe949">fusions de trous noirs</a> mais aussi d’étoiles à neutrons, ont été observés. Les astronomes disposent aujourd’hui d’un nouveau messager pour étudier les phénomènes les plus violents de l’Univers à l’origine de ces ondes gravitationnelles, et ainsi en apprendre plus sur les lois et les origines de notre cosmos.</p>
<p>Cet évènement a aussi révélé quelque chose de surprenant : les trous noirs dont on a détecté la fusion étaient bien plus massifs que ce qui semblait probable jusqu’alors.</p>
<p>Ceci a soulevé de nombreuses questions sur la formation et l’évolution des trous noirs, et en particulier des couples de trous noirs – ceux qui peuvent fusionnent en laissant derrière eux une tempête d’ondes gravitationnelles que nous détectons parfois des milliards d’années plus tard (les ondes gravitationnelles voyagent jusqu’à nous à la vitesse de la lumière).</p>
<h2>Comment naît un couple de trous noirs ?</h2>
<p>L’histoire la plus commune de ces progéniteurs est la suivante : deux étoiles, souvent massives, naissent dans le même nuage interstellaire. Elles échangent de la matière au cours de leur vie, avant de finir par s’effondrer l’une après l’autre lors de deux événements de supernova, formant ainsi un duo de trous noirs. Ce couple continue alors inexorablement de se rapprocher, pendant un temps qui peut atteindre quelques milliards d’années, avant finalement de fusionner.</p>
<p>La fusion des trous noirs émet alors des ondes gravitationnelles, qui peuvent être détectées par des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO-Virgo ou des détecteurs futurs, par exemple le <a href="https://in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/le-projet-einstein-telescope-detecteur-dondes-gravitationnelles-de-troisieme-generation-en"><em>Einstein Telescope</em></a> européen ou le <a href="https://cosmicexplorer.org/"><em>Cosmic Explorer</em></a> américain.</p>
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<figcaption><span class="caption">Simulation de la fusion de deux trous noirs supermassifs (NASA Goddard).</span></figcaption>
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<h2>Couple stellaire : une vie semée d’embûches</h2>
<p>Si ce scénario est connu dans les grandes lignes, les conditions d’évolution précises amenant un couple d’étoiles à se transformer en binaire de trous noirs destinés ensuite à fusionner entre eux restent indéterminées.</p>
<p>L’histoire de ce couple stellaire est en effet semée d’embûches, et de nombreux paramètres entraîneront, ou non, la fusion de deux trous noirs : citons entre autres la masse initiale de chaque étoile, leur composition, leur séparation orbitale, ou encore leur vitesse de rotation. Le devenir du couple dépend également des propriétés de l’effondrement de chaque étoile en trou noir lors de sa supernova, du moment auquel il traverse la phase d’« enveloppe commune » avec sa partenaire, et de l’efficacité du transfert de masse vers sa partenaire au cours de l’évolution.</p>
<p>Cette phase d’« enveloppe commune » est une étape cruciale et pourtant méconnue de la vie du couple stellaire – c’est ce moment relativement bref au cours duquel une enveloppe de gaz commence à immerger entièrement la binaire, juste après la première supernova. Pendant cette phase, un important transfert de masse a lieu entre les deux astres, et l’orbite qui les sépare diminue considérablement.</p>
<p>Identifier les progéniteurs stellaires de fusions de binaires de trous noirs constitue donc un sujet au cœur des préoccupations des astrophysiciens, permettant de mieux prédire le nombre de ces fusions.</p>
<p>Afin de lever le voile sur ce mystère, <a href="https://doi.org/10.1038/nature18322">plusieurs études</a> ont <a href="http://dx.doi.org/10.3847/2041-8205/818/2/L22">déjà été conduites</a> dans le but de déterminer les paramètres des progéniteurs de fusions de trous noirs stellaires de grande masse, supérieure à 20 fois la masse du Soleil – comme on l’a vu, l’existence de trous noirs stellaires aussi massifs semblait peu probable avant leur détection par LIGO-Virgo.</p>
<p>À l’inverse, peu d’études se sont encore penchées sur les progéniteurs de trous noirs stellaires moins massifs (moins de 10 fois la masse du Soleil) qui pourraient fusionner. Si ces trous noirs « légers » sont par nature plus faciles à former, leur fusion n’en est pas pour autant assurée et le couple peut très bien se briser si les conditions requises ne sont pas réunies – les étoiles partant alors chacune de leur côté.</p>
<h2>Un code pour retracer l’histoire d’une vie stellaire</h2>
<p>C’est justement le but que nous nous sommes donné, dans le cadre d’une collaboration entre astrophysiciens des laboratoires <a href="https://fr.u-paris.fr/laboratoires/astrophysique-instrumentation-modelisation">Astrophysique, Instrumentation, Modélisation (CNRS/CEA/Université de Paris)</a> et <a href="https://apc.u-paris.fr/APC_CS/">Astroparticule & Cosmologie (CNRS/Université de Paris)</a> : caractériser les propriétés des étoiles progénitrices à l’origine des fusions de trous noirs stellaires « légers ».</p>
<p>Pour ce faire, nous avons reproduit l’évolution de ces couples d’étoiles massives (ce sont bien des étoiles dites « massives » – plusieurs fois la masse du Soleil – qui s’effondreront au final en trous noirs « légers ») en ajustant des paramètres cruciaux, avant de comparer les résultats obtenus aux détections de LIGO-Virgo.</p>
<p>Afin de reproduire l’évolution de ces couples stellaires, nous avons utilisé un code public, <a href="http://mesa.sourceforge.net/">MESA</a>, capable de simuler précisément l’évolution des étoiles, basée sur la modélisation de leur structure interne, à partir de la résolution, à chaque pas de temps, d’équations hydrodynamiques de la physique, ainsi que les interactions entre les étoiles au sein du couple. Nous avons adapté MESA afin d’y inclure les étapes liées à la formation du trou noir et au transfert de masse se produisant pendant la phase d’enveloppe commune.</p>
<p>Ainsi, partant d’un scénario d’évolution relativement classique (les deux étoiles naissent en même temps dans le même nuage interstellaire), nous avons réalisé plus de 66 000 simulations hydrodynamiques d’étoiles sur le calculateur du laboratoire APC. Si ce nombre est modeste comparé aux millions de simulations réalisées dans le cadre des modèles de synthèse de population habituellement utilisés, c’est parce que ces simulations d’évolution stellaire requièrent bien plus de temps de calcul, étant basées sur la résolution, à chaque pas de temps, d’équations hydrodynamiques. Cependant, elles se révèlent également bien plus précises, grâce à une simulation réaliste de l’intérieur des étoiles, et des changements provoqués par le transfert de matière et de moment cinétique.</p>
<figure class="align-right zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=1333&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=1333&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=1333&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1675&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1675&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/419800/original/file-20210907-2249-1hoh7pk.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1675&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
<figcaption>
<span class="caption">Infographie de l’évolution des progéniteurs stellaires d’une fusion de trous noirs, telle que déterminée par cette étude.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Adapté de Garcia et al. 2021 par Sylvain Chaty et Elsa Couderc</span>, <span class="license">Fourni par l'auteur</span></span>
</figcaption>
</figure>
<h2>66 000 simulations hydrodynamiques d’étoiles</h2>
<p>Ces 66 000 simulations constituent donc autant de combinaisons de paramètres qui ont pu être testées et comparées aux taux détectés par LIGO-Virgo de fusions de trous noirs dans cette gamme de masse.</p>
<p>Nous avons ainsi prédit des taux de fusion compris entre 0,2 et 5,0 par an dans notre « univers local », soit un volume d’univers dans un rayon de 1 giga parsec (qui correspond à 3,26 milliards d’années-lumière, soit environ 1/14 de la distance jusqu’à l’horizon de notre univers observable), distance à laquelle on peut observer les galaxies avec assez de détails mais où les effets d’évolution cosmique sont faibles.</p>
<p>Ceci correspond à 1,2 et 3,3 détections par an de ce type de fusion de trous noirs « légers » de moins de 10 masses solaires (soit des taux comparables aux événements détectés par LIGO-Virgo lors des premières campagnes d’observation).</p>
<p>Ce taux de détection est bien celui atteint par LIGO-Virgo, et ceci permet de dresser un profil plus précis des progéniteurs stellaires des trous noirs légers qui peuvent fusionner.</p>
<h2>Quelles étoiles peuvent donner naissance à des trous noirs qui fusionnent ?</h2>
<p><a href="https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2021/05/aa38357-20/aa38357-20.html">Notre étude</a> montre que pour obtenir une fusion de trous noirs « légers », il faut partir de couples d’étoiles de masses spécifiques (de 25 à 65 masses solaires) avec une séparation initiale particulière (entre 30 et 200 rayons solaires). Les deux étoiles doivent suivre une évolution au cours de laquelle elles s’échangent de la matière.</p>
<p>Le résultat principal de cette étude est que le destin des progéniteurs stellaires dépend fortement des masses initiales des étoiles, de la perte de masse du fait des vents stellaires et de la séparation orbitale initiale. Les deux étoiles suivent une évolution similaire, avec un premier épisode de transfert de masse stable avant la formation du premier trou noir, puis un deuxième épisode de transfert de masse instable conduisant à une phase d’enveloppe commune, qui sera ensuite éjectée. Cette phase d’enveloppe commune joue un rôle fondamental, car seuls les progéniteurs survivant à cette phase sont capables ensuite de fusionner en un temps inférieur à la durée de vie de l’univers (temps de Hubble).</p>
<h2>Identifier les progéniteurs</h2>
<p>Notre étude propose également une nouvelle méthode d’identification des progéniteurs d’objets compacts, comme les trous noirs ou les étoiles à neutrons, à partir de simulations hydrodynamiques précises d’évolution stellaire, se rapprochant ainsi chaque jour d’une meilleure compréhension des origines des phénomènes gravitationnels parmi les plus violents de notre univers.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/163370/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Cette étude a été réalisée par des chercheurs issus des laboratoires français Astrophysique, Instrumentation, Modélisation (AIM, CNRS/CEA/Université de Paris) et Astroparticule & Cosmologie (APC, CNRS/Université de Paris). Ces travaux ont bénéficié du soutien financier du Laboratoire d'Excellence UnivEarthS (ANR-10-LABX-0023 et ANR-18-IDEX-0001, De l’évolution des binaires à la fusion d’objets compacts). Les simulations ont été toutes effectuées sur le cluster du laboratoire APC.</span></em></p>Pour observer les tempêtes gravitationnelles liées à la fusion de deux trous noirs, il faut d’abord faire naître non pas un, mais deux trous noirs. Comment ces conditions sont-elles réunies ?Sylvain Chaty, Astrophysicien, Professeur des Universités, Université Paris CitéLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1206402019-07-19T13:42:52Z2019-07-19T13:42:52ZOn a – vraiment – marché sur la Lune : impossible de simuler des images, explique un expert en cinéma<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/284815/original/file-20190718-116557-1jlja93.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Buzz Aldrin sur la Lune.</span> <span class="attribution"><span class="source">NASA / Neil A. Armstrong</span></span></figcaption></figure><p>Cinquante ans se sont écoulés depuis que la mission <a href="https://theconversation.com/uk/topics/50th-anniversary-of-moon-landing-71605?utm_source=TC&utm_medium=linkback&utm_campaign=moonseries2019&utm_content=inlineasseta_source=TC&utm_medium=linkback&utm_campaign=moonseries2019&utm_content=inlineasseta">Apollo 11</a> s'est posée sur la Lune, avec son équipage à bord. Mais beaucoup de gens ne croient toujours pas que cela se soit réellement produit. </p>
<p>Les théories du complot sur cet événement sont en fait plus populaires que jamais. Une théorie courante veut que le réalisateur Stanley Kubrick ait aidé la NASA à simuler les images historiques de ses six alunissages réussis. </p>
<p>Mais aurait-il vraiment été possible de le faire avec la technologie disponible à l'époque ? Je ne suis ni un expert en voyages spatiaux, ni un ingénieur, ni un scientifique. Je suis cinéaste et conférencier en post-production cinématographique. Et bien que je ne puisse pas dire comment nous avons atterri sur la Lune en 1969, je peux dire avec une certaine certitude qu'il aurait été impossible de faire des copies de ces images.</p>
<p>Voici quelques-unes des croyances et des questions les plus courantes - et pourquoi elles ne tiennent pas la route.</p>
<p><strong>« L'atterrissage sur la lune a été filmé dans un studio de télévision »</strong></p>
<p>Il y a <a href="http://www.elementsofcinema.com/general/film-digital.html">deux façons différentes</a> de capturer des images animées. L'une d'elles est un film, c'est-à-dire des bandes de matériel photographique sur lesquelles une série d'images sont exposées. Une autre est la vidéo, qui est une méthode électronique d'enregistrement sur divers supports, tels que les bandes magnétiques mobiles. Avec la vidéo, vous pouvez également diffuser vers un récepteur de télévision. Un film cinématographique standard enregistre des images à 24 images par seconde, alors que la télévision diffusée est généralement de 25 ou 30 images, selon l'endroit où vous vous trouvez dans le monde.</p>
<p>Si nous acceptons l'idée que les alunissages ont été enregistrés dans un studio de télévision, nous nous attendrions à ce qu'il y ait 30 images par seconde, ce qui était la norme en télévision à l'époque. Cependant, nous savons que la vidéo du premier alunissage a été enregistrée à <a href="http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/4791883.stm">dix images par seconde</a> dans SSTV (Slow Scan television) avec une <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_TV_camera_TV_camera">caméra spéciale</a>.</p>
<p><strong>« Ils ont utilisé la caméra spéciale d'Apollo dans un studio et ont ensuite ralenti les images pour faire croire qu'il y avait moins de gravité »</strong></p>
<p>Certaines personnes peuvent prétendre que lorsque vous regardez les gens se déplacer au ralenti, ils semblent se trouver dans un environnement d'apesanteur. Ralentir un film nécessite plus d'images qu'à l'accoutumée, c'est pourquoi vous commencez avec une caméra capable de capturer plus d'images en une seconde qu'une caméra normale - c'est ce qu'on appelle un surdimensionnement. </p>
<p>Lorsque cette vidéo est lue à la fréquence d'images normale, elle est lue plus longtemps. Si vous ne pouvez pas surcharger votre appareil photo, mais que vous enregistrez à une fréquence d'images normale, vous pouvez ralentir artificiellement la séquence, mais vous devez trouver un moyen de stocker les images et de générer de nouvelles images supplémentaires pour la ralentir.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=629&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=629&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=629&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=791&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=791&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/282034/original/file-20190701-105215-150r8f4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=791&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Caméra de télévision lunaire Apollo. Elle était montée sur le côté du module lunaire Apollo 11 lorsqu'elle a diffusé <em>One small step</em> d'Armstrong.</span>
<span class="attribution"><span class="source">NASA</span></span>
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<p>Au moment de la diffusion, les enregistreurs à disques magnétiques capables de stocker des séquences au ralenti <a href="https://youtu.be/-TelJ75pzP4?t=348=348">ne pouvaient enregistrer que 30 secondes au total</a>, pour une lecture de 90 secondes de vidéo au ralenti. Pour capturer 143 minutes au ralenti, il vous faudrait enregistrer et stocker 47 minutes d'action en direct, ce qui n'était tout simplement pas possible.</p>
<p><strong>« Ils auraient pu avoir un enregistreur de stockage avancé pour créer des séquences au ralenti. Tout le monde sait que la NASA obtient la technologie avant le public »</strong></p>
<p>Eh bien, peut-être qu'ils avaient un enregistreur de stockage supplémentaire super secret - mais un enregistreur presque 3 000 fois plus avancé ? J'en doute. </p>
<p><strong>« Ils l'ont tourné sur pellicule et ont ralenti le film à la place. Vous pouvez avoir autant de films que vous le souhaitez. Puis ils ont converti le film pour le montrer à la télévision »</strong></p>
<p>Enfin un peu de logique ! Mais le tourner sur pellicule nécessiterait des milliers de pieds de pellicule. Une bobine typique de film 35 mm - à 24 images par seconde - dure 11 minutes et mesure <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Reel">1 000 pieds de long</a>. Si nous l'appliquons à 12 images par seconde (aussi près de dix que possible avec un film standard) pendant 143 minutes (c'est la durée de la séquence d'Apollo 11), il vous faudrait six bobines et demie.</p>
<p>Il faudrait ensuite les assembler. L'épissure des jointures, le transfert des négatifs et l'impression – et éventuellement des grains, des taches de poussière, des poils ou des rayures – dévoileraient instantanément toute l'affaire. Aucun de ces artefacts n'est présent, ce qui signifie qu'il n'a pas été filmé. Si l'on tient compte du fait que les atterrissages ultérieurs d'Apollo ont été effectués à 30 images par seconde, il serait alors trois fois plus difficile de les simuler. La mission Apollo 11 aurait donc été la plus facile.</p>
<p><strong>« Mais le drapeau souffle dans le vent, et il n'y a pas de vent sur la lune. Le vent vient clairement d'un ventilateur de refroidissement à l'intérieur du studio. Ou il a été filmé dans le désert »</strong></p>
<p>Ce n'est pas le cas. Une fois que le drapeau est relâché, il se stabilise doucement et ne bouge plus du tout dans les images suivantes. De plus, quelle est la quantité de vent à l'intérieur d'un studio de télévision ? </p>
<p><strong>« L'éclairage de la vidéo provient clairement d'un projecteur. Les ombres sont bizarres »</strong></p>
<p>Oui, c'est un projecteur. Ça s'appelle le soleil. Regardez les ombres dans les images. Si la source lumineuse était un projecteur à proximité, les ombres proviendraient d'un point central. Mais parce que la source est si éloignée, les ombres sont parallèles dans la plupart des endroits plutôt que de diverger d'un seul point. </p>
<p>Cela dit, le soleil n'est pas la seule source d'éclairage - la lumière est également réfléchie par le sol. Cela peut faire en sorte que certaines ombres n'apparaissent pas parallèles. Cela signifie également que nous pouvons voir les objets qui sont dans l'ombre.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=410&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=410&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=410&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=515&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=515&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/282033/original/file-20190701-105164-1h7w5g9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=515&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Stanley Kubrick.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Instituto María Auxiliadora Neuquén/Flickr</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span>
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<p><strong>« On sait tous que Stanley Kubrick l'a filmé »</strong></p>
<p>On aurait pu demander à Stanley Kubrick de simuler l'alunissage. Mais comme il était tellement perfectionniste, il aurait insisté pour le tourner sur place. Et c'est bien documenté <a href="http://flipthemoviescript.com/the-fear-of-flying-affected-stanley-kubricks-career/">il n'aimait pas voler</a>, donc à propos de ça… Suivant ? </p>
<p><strong>« Il est possible de recréer des dinosaures à partir de moustiques comme ils l'ont fait dans <em>Le parc Jurassic</em>, mais le gouvernement le garde secret »</strong></p>
<p>J'abandonne.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/120640/count.gif" alt="La Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Howard Berry ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Les théoriciens du complot sont convaincus que l'homme n'a jamais marché sur la Lune. Les images proviendraient d'un studio. Impossible, dit cet expert en cinéma.Howard Berry, Head of Post-Production and Programme Leader for MA Film and Television Production, University of HertfordshireLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1058992018-11-07T21:49:01Z2018-11-07T21:49:01ZOndes et autres histoires ondulatoires<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/243949/original/file-20181105-83638-1mr2kz3.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Claude Monet, _Nymphéas avec reflet de hautes herbes_.</span> <span class="attribution"><span class="source">Claude Monet</span></span></figcaption></figure><p><em>Nous publions ici un extrait de l’ouvrage « Le monde a des racines carrées » qui paraît ce jour aux Éditions de l’Homme.</em></p>
<hr>
<h2>L’entrechoc des trous noirs</h2>
<p>Il y a des voisins dont on se passerait bien volontiers et d’autres que l’on cherche, au contraire, désespérément à joindre. À un point tel que l’on construit des machines extrêmement complexes pour détecter leur présence. Ces voisins ne sont pas humains, ils se trouvent à des milliards d’années-lumière de nous et ils détiennent des informations primordiales sur l’origine de notre univers. De quoi nous donner envie de les écouter avec une extrême attention…</p>
<p>Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne sont les prix Nobel de physique 2017. Ces trois physiciens sont à l’origine de la mesure des ondes gravitationnelles dont la notion avait été théorisée il y a plus d’un siècle par l’illustre Albert Einstein. Tout comme les ondes sonores ou électromagnétiques, les ondes gravitationnelles sont des déplacements d’énergie, mais qui se font par le biais de déformations du milieu dans lequel baignent tous les astres : l’espace-temps.</p>
<p>Illustrons ce que sont ces ondes par un exemple simple. Lorsque nous nous asseyons sur un canapé, nous déformons le coussin qui nous supporte du fait de notre poids (certains moins que d’autres d’ailleurs). Que cela soit nous ou n’importe quel objet sur le canapé, chaque élément déforme le coussin de façon proportionnelle à sa masse. Par exemple, un téléphone induit une déformation quasi imperceptible (à moins que l’on parle d’un téléphone fixe des années 1930…). Elle est si faible que, si celui-ci se trouve à proximité de nous, il glissera vers notre fessier. Dans cette analogie, nous représentons une étoile ou un trou noir, le canapé représente l’espace-temps, sa déformation représente la gravité de notre fessier ou du téléphone et le téléphone correspond à n’importe quel autre objet céleste moins massif (tel qu’une planète, des débris, une petite étoile).</p>
<p>Maintenant, si, au lieu de nous asseoir, nous nous laissons tomber sur le canapé, cette fois-ci le téléphone sera propulsé dans les airs… alors même que nous ne l’avions pas touché en tombant. Le contact de notre fessier avec le canapé a été si vif qu’il a créé une onde qui s’est propagée dans le canapé et que le téléphone a ressentie. Les ondes gravitationnelles sont similaires à nos ondes de canapé, à la différence près qu’elles ne proviennent pas d’un fessier, mais d’un événement intense et soudain impliquant un ou plusieurs objets massifs célestes – par exemple une étoile qui implose, deux trous noirs qui entrent en collision… Les ondes qui en résultent voyagent dans l’espace-temps jusqu’à ce que nous en captions les ondulations sur Terre, comme le téléphone sur le canapé, à la différence près que ces ondes sont tellement lointaines qu’elles sont devenues à peine perceptibles sur notre planète !</p>
<h2>Interférences</h2>
<p>Pour mesurer de telles oscillations, des appareils immenses appelés interféromètres ont été installés dans les États de Washington et de Louisiane, aux États-Unis, mais aussi en Europe. Bien que les détections qu’ils permettent soient l’objet d’une collaboration internationale, nous nous focaliserons ici sur les détecteurs localisés en Amérique du Nord, les premiers à avoir détecté la toute première onde gravitationnelle.</p>
<p>Les interféromètres mesurent des interférences. Ces dernières peuvent se représenter par le fait de jeter deux cailloux à une certaine distance l’un de l’autre, chacun produira des vagues dont la forme changera au moment de leur rencontre : elles interféreront. En regardant simplement les interférences des ondes, on peut déduire les propriétés des ondes à l’origine de celles-ci. Les interféromètres utilisés pour les ondes gravitationnelles sont composés de deux lasers de 4 km de long, perpendiculaires, qui interfèrent optiquement entre eux. Sur une telle distance, si l’espace-temps est déformé, l’onde lumineuse du laser le sera aussi et on pourra voir un nouveau diagramme d’interférence dans l’appareil de mesure. « Voir » est un bien grand terme, car le déplacement qui a été observé est minuscule : de l’ordre d’un millième du diamètre d’un proton (10-18 m).</p>
<p>Toutes les mesures sont effectuées simultanément par les interféromètres de Washington et de Louisiane. En ayant deux appareils de mesure aussi éloignés l’un de l’autre, on s’assure que les vibrations mesurées proviennent bien d’une source extraterrestre et non d’un séisme local ou simplement de la circulation routière. Car les vibrations, ce n’est pas ce qui manque autour de nous. En permanence, les capteurs détectent les tremblements terriens (le passage d’un avion, des mouvements géologiques, etc.) et cosmiques. Tout se confond, les ondes se mélangent. Il y en a tellement que c’est une cacophonie ! Même si ces oscillations ne sont pas sonores, c’est ce que l’on appelle du bruit : des informations de vibration qui se confondent et qui, a priori, ne nous intéressent pas.</p>
<p>Un signal se distingue du bruit par son intensité, qui est beaucoup plus forte. La notion de rapport signal/bruit est cruciale. Quand, par exemple, vous êtes dans une foule avec un brouhaha ambiant et que, subitement, vous vous retournez parce que quelqu’un commence à parler au micro, c’est parce que le rapport signal/bruit vous a permis de détecter qu’il y avait un son beaucoup plus fort (et sans doute plus important) que le reste. Mais comme vos cris vains pour attirer de loin l’attention de quelqu’un dans une foule bruyante, les signaux à détecter se fondent parfois dans la cacophonie ambiante, ce qui complique la tâche des scientifiques pour les détecter.</p>
<p>Le 14 septembre 2015 à 4 h du matin, alors que les détecteurs étaient en phase finale de test, un signal beaucoup plus fort que les autres et d’une durée de 0,15 seconde est apparu sur les instruments de mesure. C’était le premier signal d’une onde gravitationnelle. Un signal d’onde pareil, visible à l’œil nu (ce qui est exceptionnel), correspondait forcément à un événement cosmique majeur.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=280&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=280&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=280&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=352&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=352&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/243950/original/file-20181105-83635-8eg301.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=352&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Les ondes captées, gravitationnelles, sonores ou lumineuses, se définissent ainsi : la fréquence représente le nombre de fois que l’onde réalise un cycle complet en une seconde (son unité de mesure est le Hertz, noté Hz). La longueur d’onde représente la distance (en mètres) entre deux pics de l’onde et la période représente le temps qu’il faut à l’onde pour faire un cycle complet. L’amplitude représente à quel point l’onde est forte (son unité est le décibel pour le son, le mètre pour des vagues, le lux pour de la lumière, etc.). Enfin, la phase représente le point de départ de l’onde.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Viviane Lalande</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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<p>À partir du signal détecté, on dispose de deux types d’information : la fréquence et l’amplitude des ondes. C’est tout. Avec si peu, il est impossible de deviner quel événement est à l’origine de l’émission de ces ondes. Il faut alors avoir recours à des modèles numériques. Par exemple, sachant comment se forme un trou noir, les physiciens simulent informatiquement, selon tous les scénarios imaginables, ce à quoi pourrait ressembler une onde gravitationnelle résultant de la formation d’un trou noir que l’on capterait sur Terre. Ils ont ainsi construit numériquement une bibliothèque de signaux d’ondes gravitationnelles qu’ils comparent avec les mesures qu’ils prennent. Quand cette comparaison est positive, ils savent que leur simulation est représentative de la réalité.</p>
<h2>Ondulation de l’espace-temps</h2>
<p>Après de longues analyses, les chercheurs ont découvert que cette ondulation de l’espace-temps résultait de la fusion, appelée coalescence, d’un trou noir de 29 masses solaires avec un autre de 36 masses solaires. Ce fut un choc dans le monde de l’astrophysique. Comme les physiciens n’avaient pas prévu l’existence d’aussi gros trous noirs, peu de simulations comparatives étaient disponibles. Ils ont donc dû enrichir leur bibliothèque d’ondes pour trouver quel avait été le scénario originel.</p>
<p>La fusion qui a été captée a donné lieu à un trou noir énorme de 62 masses solaires. Or, si l’on additionne les masses des deux trous noirs, 29 + 36, on obtient 65 et non 62. La conservation de la masse et de l’énergie (voir chapitre 8 du livre) s’applique également à des « objets » aussi étranges que les trous noirs. Les trois masses solaires manquantes ne peuvent pas avoir disparu : elles correspondent à l’énergie qui s’est dissipée sous forme d’ondes gravitationnelles pour parvenir sur Terre, 1,3 milliard d’années plus tard. Les ondes captées avaient des fréquences entre 30 et 500 Hz, ce qui correspond à des fréquences qui, une fois converties en ondes sonores, sont audibles pour nous, humains. Les chercheurs ont alors réalisé cette conversion : au lieu de faire osciller l’espace-temps, ils ont fait vibrer une membrane de haut-parleur à la même fréquence que les ondes détectées. Le tout peut s’écouter sur Internet, je vous le recommande. Ce que vous entendrez, c’est l’équivalent d’une vague de l’espace-temps qui a voyagé pendant 1,3 milliard d’années, à travers l’espace. Quand elles ont été émises, l’Homme n’existait pas encore…</p>
<p>Mais revenons aux ondes. Non seulement la détection elle-même était un événement scientifique majeur qui a soulevé de nouvelles questions, mais la nature de la détection constituait elle aussi une grande avancée dans la compréhension de la formation des trous noirs et de la composition de l’univers au moment de leur formation. Les trous noirs se forment à partir d’une très grosse étoile. Au cours de sa vie, l’étoile n’est pas inerte et elle produit des « vents ». Nos vents terrestres sont composés d’air et restent autour de notre planète. Mais les vents stellaires, eux, sont composés de matière provenant de l’étoile et s’échappent de celle-ci, comme si elle s’effritait avec le temps. Ainsi, à la fin de sa vie, quand elle se prépare à s’effondrer sur elle-même pour devenir un trou noir, elle aura beaucoup minci par rapport à ses origines et ne présentera plus qu’un certain pourcentage de sa masse originale.</p>
<p>Lorsque les physiciens lèvent les yeux au ciel et font des prédictions, ils se basent sur la composition de l’univers qu’ils connaissent, celle d’aujourd’hui : « Avec un univers tel que celui que nous connaissons, une étoile composée de tels éléments peut faire telle masse ; au bout de X années, elle se transformera en un trou noir qui aura une taille entre Y et Z. » Même si ce raisonnement est extrêmement simplifié, il illustre bien que la prédiction de la taille des trous noirs part de la connaissance des éléments qui composent actuellement notre univers.</p>
<p>Les trous noirs détectés le 14 septembre 2015 sont beaucoup trop gros par rapport aux prédictions qui avaient cours jusque-là. Cela veut donc dire que l’univers avait une composition très différente lors de leur formation, il y a 4 à 8 milliards d’années. Voilà une découverte qui a de quoi chambouler le monde de l’astrophysique !</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=820&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=820&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=820&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1031&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1031&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/243942/original/file-20181105-83641-17egcfy.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1031&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Le monde a des racines carrées.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Éditions de l’Homme</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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<h2>Ondes fascinantes</h2>
<p>Les ondes sont, pour moi, un des sujets les plus fascinants de la physique. Nous sommes bercés et émotionnellement touchés par la musique, cette collection de fréquences bien agencées. Nous nous réchauffons auprès d’un feu émetteur de précieuses ondes infrarouges, nous mangeons des plats réchauffés au micro-ondes et racontons à nos amis, via notre réseau d’ondes téléphoniques, comment nous avons joué dans les grandes ondes mécaniques que sont les vagues de la mer. Nous nous divertissons devant la télé (ou YouTube) et transmettons notre savoir de génération en génération en faisant osciller nos cordes vocales. Nous nous émerveillons devant les couleurs vives d’un champ de coquelicots et sommes rebutés par un choix vestimentaire douteux, lorsque les ondes du spectre visible ne sont pas assemblées à notre goût. Les médecins nous auscultent avec leur stéthoscope qui capte les vibrations du sang dans nos veines, ils nous font passer des examens médicaux avec des rayons X ou bien écoutent le futur bébé avec des ultrasons, alors que ce même bébé se rassure avec les battements du cœur et la voix de sa mère. Nous rentrons chez nous grâce au GPS qui nous guide depuis l’espace, lui-même scruté par les astrophysiciens à l’écoute des ondulations de l’espace-temps pour, simplement, comprendre l’origine de l’univers…</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/105899/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Viviane Lalande ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Des vagues de l’océan aux ondulations de l’espace-temps, les ondes sont l’un des sujets les plus fascinants de la physique.Viviane Lalande, Doctorante en génie mécanique à Polytechnique Montréal, animatrice de la chaîne de vulgarisation Scilabus , Polytechnique MontréalLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/912782018-03-25T19:28:49Z2018-03-25T19:28:49ZCafé au lait, ondes gravitationnelles et univers primordial<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/207252/original/file-20180221-132647-199ekgx.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=43%2C271%2C4898%2C2764&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Comme une goutte d'eau venant perturber une surface lisse, les ondes gravitationnelles sont des rides de l'espace-temps.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://unsplash.com/photos/Q5QspluNZmM">Linus Nylund/Unsplash</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>Le 11 février 2016 est une date qui restera gravée dans l’histoire de l’astronomie avec l’<a href="http://www2.cnrs.fr/presse/communique/4409.htm">annonce officielle</a> par les laboratoires <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Laser_Interferometer_Gravitational-Wave_Observatory">LIGO</a> et <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Virgo_(interf%C3%A9rom%C3%A8tre)">Virgo</a> de la première observation directe d’une onde gravitationnelle. <a href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102">L’article</a> publié dans la prestigieuse revue américaine Physical Review Letters présente la détection qui a été faite en septembre 2015 sur les deux sites américains jumeaux LIGO distants de 3 000 km.</p>
<p>Il s’agit de la fusion de deux trous noirs en un plus gros trou noir de masse toutefois inférieure à la somme des deux masses initiales. La différence – environ trois fois la masse du Soleil – a été transformée en rayonnement d’ondes gravitationnelles.</p>
<p>À l’instar des rides concentriques produites sur une étendue d’eau lorsqu’un élément extérieur, par exemple un caillou que l’on jette, vient perturber ce milieu, une onde gravitationnelle est une ride de l’espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière, soit environ 300 000 km/s. Le concept d’espace-temps a été introduit pour rendre compte de l’indissociabilité de l’espace et du temps. Par exemple, le temps s’écoule plus rapidement dans l’espace que sur Terre où la gravitation est plus forte. Le système GPS ne serait pas aussi précis sans la prise en compte de cette différence.</p>
<p>En 1915 <a href="http://www.larousse.fr/encyclopedie/personnage/Albert_Einstein/117783">Albert Einstein</a> propose une nouvelle conception de l’espace, du temps et de la gravité : c’est la <a href="http://www.lemonde.fr/sciences/video/2014/10/27/comprendre-la-theorie-de-la-relativite-generale-d-einstein_4510085_1650684.html">théorie de la relativité générale</a>. Pour Einstein, le mouvement d’un corps n’est pas déterminé par des forces, mais par la géométrie de l’espace-temps qui constitue le tissu de l’univers.</p>
<p>Tout ce qui se déplace traverse l’espace-temps et tout ce qui possède une masse le déforme ; plus la masse est importante, plus la déformation est prononcée. Ainsi le Soleil courbe l’espace-temps telle une balle créant une dépression sur un tissu élastique. En se propageant, l’énergie de l’onde gravitationnelle se dilue et par conséquent son amplitude décroît. Aussi, lorsqu’en septembre 2015 LIGO parvient à détecter une onde gravitationnelle produite il y a un peu plus d’un milliard d’années, c’est un signal extrêmement ténu qui est mesuré !</p>
<h2>Une nouvelle astronomie</h2>
<p>Cette nouvelle astronomie, qualifiée de gravitationnelle, est révolutionnaire car en principe elle peut nous permettre de sonder les tout premiers instants de l’univers. La densité de matière y étant trop forte pour libérer les ondes électromagnétiques (la lumière originelle), l’univers primordial reste totalement opaque aux plus puissants télescopes.</p>
<p>Les ondes gravitationnelles n’ont pas cette contrainte et ont pu <em>s’échapper</em> emportant avec elles une empreinte de la physique du Big Bang. Cette physique reste très spéculative car les expériences de laboratoire comme celles du <a href="https://home.cern/fr">CERN</a> à Genève ne peuvent atteindre que des conditions équivalentes à environ 10<sup>-11</sup>s(et une température de 10<sup>15</sup>°C), ce qui est infiniment loin des conditions de l’univers lorsque celui-ci n’avait qu’environ 10<sup>-35</sup>s(et 10<sup>28</sup>°C).</p>
<figure class="align-center zoomable">
<a href="https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=480&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/207245/original/file-20180221-132654-dnnxij.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=603&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Vue d’artiste de deux trous noirs massifs spiralant l’un vers l’autre jusqu’à fusionner en un seul.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="http://www.lemonde.fr/cosmos/article/2017/06/01/la-fusion-de-deux-trous-noirs-fait-trembler-a-nouveau-la-terre_5137280_1650695.html">Aurore Simonnet/LIGO)</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>À cet instant, un phénomène d’une extrême violence se serait produit : une expansion fulgurante de l’univers appelée inflation lui aurait permis de grossir d’un facteur astronomique (au moins 10<sup>30)</sup> en une infime fraction de seconde (moins que 10<sup>-32</sup>s). Ce scénario proposé au début des années 1980 permet d’expliquer les propriétés du rayonnement fossile – la première lumière de l’univers émise environ 400 000 ans après le Big Bang quand celui-ci, moins dense à cause de son expansion, perd son caractère opaque.</p>
<p>En effet, ce rayonnement fossile est d’une très grande homogénéité sur tout le ciel. Comment deux régions éloignées du ciel qui n’ont pas eu le temps de communiquer entre elles peuvent présenter une telle similitude ? La théorie de l’inflation répond à cette question en proposant que deux points initialement très proches et donc ayant pu échanger de l’information (s’homogénéiser) se seraient retrouvés très éloignés après une expansion de l’univers à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière. Une question demeure : quel est le mécanisme physique à l’origine de l’homogénéisation de l’univers primordial ?</p>
<h2>L’univers primordial</h2>
<p>C’est en se posant une question en apparence anodine, « que se passe-t-il lorsque deux ondes gravitationnelles se rencontrent ? », qu’une réponse inattendue surgit : la turbulence produite par les ondes gravitationnelles a la propriété d’homogénéiser efficacement l’univers.</p>
<p>La question posée peut sembler a priori peu intéressante car les ondes détectées depuis 2016 sont infiniment faibles. Dans ce cas, la physique est dite linéaire et les deux ondes se traversent sans se voir. La situation est bien différente pour l’univers primordial.</p>
<p>À l’image de l’eau qui, en se refroidissant, passe de l’état liquide à l’état solide à 0 °C (on parle d’une transition de phase), l’univers primordial subit aussi une transition de phase après environ 10<sup>-35</sup>s. À cet instant, certaines forces de la nature se séparent. Il s’agit de l’interaction forte et de l’interaction électrofaible : la première régit la physique à l’intérieur des noyaux atomiques et la seconde celle de la radioactivité et de l’électromagnétisme (qui sont en fait deux interactions différentes mais encore unies à ces températures).</p>
<p>Cette transition de phase s’accompagne d’un phénomène très violent : des bulles de vide sont créées, grossissent et rentrent en collision, générant de puissantes ondes gravitationnelles. C’est aussi pendant cette période que l’univers subit une inflation. Un traitement non linéaire est alors nécessaire pour comprendre ce qui se passe lorsque deux ondes – ou une multitude d’ondes – se rencontrent.</p>
<h2>Cascade d’équations</h2>
<p>C’est le sujet de l’<a href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.221101">article théorique</a> présenté fin 2017 dans la revue <em>Physical Review Letters</em>. Ce travail s’appuie sur des méthodes mathématiques rigoureuses appliquées aux équations de la relativité générale afin de comprendre la réaction de l’espace-temps à une excitation initialement produite à une échelle spatiale Lf.</p>
<p>Dans ce scénario, Lf correspond à la longueur d’onde typique des ondes gravitationnelles produites par les collisions des bulles de vide. On peut montrer dans cette situation que des fluctuations de l’espace-temps sont générées à la fois à des échelles de plus en plus petites et à des échelles de plus en plus grandes que Lf.</p>
<p>Dans le premier cas, on parle de cascade directe vers les petites échelles ; celle-ci est limitée par l’échelle de Planck (10<sup>-35</sup>m) sous laquelle la gravité quantique domine. Dans le deuxième cas, c’est une cascade inverse qui a la propriété remarquable d’être explosive, avec en principe la possibilité d’exciter des fluctuations jusqu’à une échelle infinie en un temps fini.</p>
<p>Le mécanisme décrit s’arrête, cependant, à l’échelle où la turbulence change de régime pour devenir forte. Le phénomène de cascade est bien connu des mécaniciens des fluides : à l’image de l’eau d’une rivière qui rencontre un obstacle, par exemple un rocher, des tourbillons de tailles variées, plus petites que l’obstacle, sont créés en aval ; il s’agit alors d’une cascade directe.</p>
<p>Le pouvoir de mélange de la turbulence est bien connu : si vous déposez un nuage de lait dans votre café, la couleur café au lait n’apparaîtra qu’après plusieurs minutes, alors qu’un coup de cuillère suffira pour mélanger les liquides quasiment instantanément. À l’instar du café au lait, le mécanisme de turbulence d’ondes gravitationnelles a le pouvoir d’homogénéiser efficacement les fluctuations primordiales de l’univers. Cette propriété est importante car elle offre un mécanisme original qui ne nécessite pas l’introduction de nouveaux concepts comme dans le scénario d’inflation. Par ailleurs les solutions obtenues sont analytiques, c’est-à-dire non entachées d’approximation.</p>
<p>À l’heure où de nombreuses questions cosmologiques restent ouvertes (origines de l’énergie sombre, de la matière sombre ou de l’inflation ; nature de la turbulence autour des trous noirs), la physique non linéaire pourrait apporter des réponses originales et surprenantes.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/91278/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Sébastien Galtier ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Remonter au plus près dans l’histoire cosmologique pour s’approcher toujours plus du Big Bang. Les ondes gravitationnelles pourraient avoir joué un rôle majeur dans la construction de l’univers.Sébastien Galtier, Professeur de physique à l'Université Paris-Sud, École polytechniqueLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/933912018-03-14T23:38:44Z2018-03-14T23:38:44ZStephen de Cambridge, visionnaire de l’infini<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/210322/original/file-20180314-113472-1gex9.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=23%2C35%2C3948%2C2592&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Stephen Hawking en apesanteur.</span> <span class="attribution"><span class="source">Nasa/Wikimedia</span></span></figcaption></figure><p>Un visionnaire de l’infini vient de mourir. Stephen Hawking était révéré en raison de ses contributions révolutionnaires à la compréhension du cosmos, de son origine, de sa géométrie et de son évolution : de la fin et du début des temps, de l’infiniment dense (trous noirs et Big bang) et de l’infiniment jeune (naissance de l’univers).</p>
<p>De ses mathématiques et de son verbe, ont émergé le temps imaginaire et les trous noirs rayonnants. Il a marié la relativité générale (école du dehors) à la mécanique quantique et à la thermodynamique (école du dedans). Lisons une phrase de l’<a href="https://www.theguardian.com/science/2018/mar/14/stephen-hawking-obituary">éloge funèbre</a> que vient de lui consacrer son ami et collègue, le mathématicien Roger Penrose :</p>
<blockquote>
<p>« Physical impairment seemed compensated by almost supernatural gifts, which allowed his mind to roam the universe freely, upon occasion enigmatically revealing some of its secrets hidden from ordinary mortal view. »</p>
</blockquote>
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<iframe width="440" height="260" src="https://www.youtube.com/embed/utNQe7ZPH0Y?wmode=transparent&start=0" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>
<figcaption><span class="caption">« A brief history of Stephen Hawking ».</span></figcaption>
</figure>
<p>Stephen Hawking est un mythe mais c’est comme éminent théoricien que je veux, à l’heure de sa mort, le célébrer. Il fut l’annonciateur de la triple alliance entre gravitation, physique quantique et thermodynamique : insufflez dans les trous noirs l’incertitude afférente, ils auront la fièvre et se mettront à luire. Cette idée brillante a suscité quantité de travaux autour de ces objets déroutants.</p>
<p>Sous sa plume, trop précis pour être quantique, le trou noir est trop noir, trop radicalement sombre : Stephen l’a conçu, ni trou, ni noir, mais gris sur les bords. Il a fait un premier pas vers la théorie quantique de la gravitation en adoucissant, édulcorant et rendant aimable les infinis ou en allongeant le zéro.</p>
<h2>Les trous noirs ont de la température</h2>
<p>Les faits, les affreux faits qui tuent les belles théories, s’agissant des trous noirs, sont plus étranges que leur fiction. Hawking leur a redonné le sourire. Ce ne sont plus des images de la mort dans le ciel. Ils ont de la température et en conséquence ils s’évaporent et brillent dans l’invisible (pas les gros, à toute fin pratique, mais les petits). Contrairement aux étoiles, plus ils sont légers, plus ils brillent. Les trous noirs primordiaux, de la masse d’une montagne, nés tout juste après le Big bang, sont recherchés dans le ciel dans le registre des rayons gamma, car ce sont les plus généreux en brillance. Leur découverte aurait valu le prix Nobel à Stephen mais le ciel n’en a pas voulu ainsi.</p>
<p>Stephen Hawking s’est longtemps interrogé sur la perte d’information induite par la chute dans un trou noir, interdite par la physique quantique. Il a raisonné, en double, sur la manière dont le trou noir tout à la fois efface l’information et la conserve. L’article qui s’en est suivi publié sur le serveur ArXiv en janvier 2016, a défrayé la chronique : selon la relativité générale d’Einstein, tout ce qui franchit la frontière (horizon) d’un trou noir est perdu a jamais, y compris la lumière. C’est la raison pour laquelle le trou est noir. Mais dans les années 1970, comme nous l’avons esquissé, Stephen de Cambridge, héritier de la chaire de Newton, a fait valoir que du rayonnement s’en échappait selon la mécanique quantique car le sombre absolu qui se confond avec l’ignorance totale n’est point de mise en vertu du principe d’incertitude.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=451&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=451&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=451&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=567&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=567&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/210321/original/file-20180314-113455-1ttporz.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=567&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">À propos des trous noirs : « Can you hear me ? »</span>
<span class="attribution"><span class="source">Stephen Hawking</span></span>
</figcaption>
</figure>
<p>De ce fait, le trou noir maigrit jusqu’à disparaître et ne subsiste de ce fait que son rayonnement. Le problème est que celui-ci ne contient aucune information pertinente sur ce qu’a avalé le trou : elle est perdue à jamais et ceci contrevient à la physique moderne, et notamment à la mécanique quantique qui énonce que les processus dans l’univers sont réversibles. Pour circonvenir la difficulté, Hawking a proposé que les trous noirs soient couronnés par une sorte de halo, où se grave la signature de ce qui tombe. Pour mieux visualiser, voici ce que Dennis Overbye, journaliste scientifique éminent en dit : « Ce motif, comme les pixels de votre iPhone ou les rainures ondulées d’un disque vinyle, contient des informations sur ce qui a traversé l’horizon et disparu. »</p>
<p>On mesure l’audace iconoclaste de Stephen. L’existence du « rayonnement de Hawking » a stupéfié la communauté scientifique qui ne s’en est toujours pas vraiment remise. Son dernier tour de passe-passe va lui ôter le sommeil. Edward Witten, théoricien de l’Institut d’Études avancées de Princeton, confesse : </p>
<blockquote>
<p>« Essayer de mieux comprendre la découverte de Hawking a été une source vive de réflexion pendant près de 40 ans maintenant, et nous sommes probablement encore loin de l’appréhender complètement. On est toujours devant quelque chose de nouveau. »</p>
</blockquote>
<h2>Cosmologie d’origine démente</h2>
<p>Dans son autre domaine de prédilection, la cosmologie, ses recherches se situent à la limite des connaissances. En 1970, Roger Penrose et Stephen Hawking ont énoncé un théorème énonçant que la pure théorie d’Einstein conduisait sans appel à la conclusion que notre univers émanait d’un point de densité infinie, une singularité mathématique euphémisme d’aberration. La cosmologie d’alors se donnait une origine démente et une évolution licite et tout le monde était content. Mais c’était sans compter la mécanique quantique qui abhorre la précision fatale du point (l’onde amène son flou et la particule sa ponctualité) et dénie en vérité leur existence réelle, tout comme la nature, dit-on, a horreur du vide. Il fallait donc transcender la théorie de la relativité générale.</p>
<p>En transposant les techniques qui avaient fait leur preuve en physique des particules à la cosmologie, James Hartle et Stephen Hawking, ont tenté de résoudre l’héroïque équation de la cosmologie quantique de Wheeler-DeWitt de manière moins approchée que leurs prédécesseurs, ceci dans des cas simples à l’aide de l’intégrale de chemin de Feynman. Les deux pionniers de la gravité quantique ont émis une proposition en 1983 qui allait faire grand bruit. Dans leur équation cosmologique, le temps, au lieu d’être décrit par un nombre réel, l’est par un nombre imaginaire (au sens mathématique du terme) ce qui revenait à dire que l’espace-temps à 4 dimensions était, avant son début, espace à 4 dimensions.</p>
<p>L’état pré-temporel du monde ne serait pas un point de densité infini et le cosmos aurait émergé d’une géométrie quantique aussi floue que les trajectoires des particules dans un atome. On en frémit encore dans les cénacles bibliques. On mesure l’audace métaphysique et même religieuse de cette perspective.</p>
<p>Mais il faut encore la prendre avec un grain de sel. La proposition d’un univers sans frontière avec temps imaginaire fascine car elle propose une solution au problème de la naissance du temps, mais ce n’est pas la seule. Le physicien Alexandre Vilenkin suggère pour sa partque l’univers s’est infiltré comme une onde à partir d’un état qui n’est ni espace ni temps abusivement appelé « néant » puisqu’il suppose l’existence préalable des lois de la physique. Bref le secret originel n’est pas levé mais la physique ose s’y confronter. Courage devant le temps zéro qui est un instant dans un temps qui n’existe pas encore !</p>
<h2>Humain et cosmique</h2>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"973853959587852288"}"></div></p>
<p>Mais revenons à l’homme. Hawking n’a cessé de partager sa science. Le phénoménal succès de <em>Une brève histoire du temps</em> (25 millions d’exemplaires) témoigne de son talent de divulgateur. Il a clairement joui de sa notoriété, visité le pôle Sud et vécu un moment en apesanteur. Il restera comme le promoteur des idées scientifiques des siècles XX et XXI. Ses visions scientifiques et sa lutte spectaculaire pour survivre ont fait de lui un véritable héros moderne. Humain et Céleste, on l’a vu financer un projet de mini voiles solaires et s’ériger en humaniste dans de nombreuses questions de société.</p>
<p>Souvenez-vous de sa maxime, quand vous tomberez comme lui dans la mort :</p>
<blockquote>
<p>« [Black holes] are not the eternal prisons they were once thought. If you feel you are trapped in a black hole, don’t give up. There is a way out. »</p>
</blockquote><img src="https://counter.theconversation.com/content/93391/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Michel Cassé ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Le physicien Stephen Hawking a révolutionné notre compréhension du cosmos et de ses icônes, les trous noirs.Michel Cassé, Astrophysicien et écrivain, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/893432018-02-02T05:34:41Z2018-02-02T05:34:41ZLes ondes gravitationnelles : une histoire Cosmos-polite<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/203823/original/file-20180129-89553-1azirr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Vue aérienne de l'inféromètre Virgo</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Virgo_aerial_view_01.jpg">The Virgo collaboration</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>Le 11 février 2016, à Washington, Paris et Pise, trois conférences de presse simultanées, immédiatement relayées par la plupart des grands journaux et stations de radio, annonçaient la première détection directe par les <a href="http://astro-canada.ca/les_interferometres-interferometers-fra">interféromètres</a> LIGO, d’ondes gravitationnelles (OG), dont Einstein avait prévu l’existence et les propriétés cent ans auparavant.</p>
<p>Il aura fallu environ 40 ans pour convaincre la plupart des scientifiques, Einstein inclus, de la réalité physique de ces ondes, puis encore 60 ans à partir des premières tentatives, pour parvenir à les observer.</p>
<p>En effet, l’interaction gravitationnelle étant très faible, les OG ne peuvent être produites en quantité détectable que par de grands cataclysmes stellaires, comme la formation ou les collisions d’objets très massifs et très denses, par exemple des trous noirs, <a href="https://lejournal.cnrs.fr/articles/etoiles-a-neutrons-une-fusion-qui-vaut-de-lor">des étoiles à neutrons</a>, voire le Big Bang lui-même.</p>
<p>Même les OG les plus énergétiques émises par ces sources remarquables restent très difficiles à révéler, car leur passage génère des effets négligeables sur les détecteurs. Ceux-ci doivent donc présenter un niveau de bruit très faible pour que le signal puisse être extrait du bruit.</p>
<p>La détection des OG a donc été longtemps considérée comme impossible. Néanmoins, au début des années 1970, <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Rainer_Weiss">Rai Weiss</a> (prix Nobel 2017), a étudié la possibilité d’utiliser un détecteur basé sur un <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Interf%C3%A9rom%C3%A8tre_de_Michelson">interféromètre de Michelson</a>.</p>
<p>Weiss fit une étude détaillée des principales sources de bruit qui pourraient dégrader la sensibilité d’un détecteur interférométrique d’OG, et produisit en 1972 un rapport interne au MIT, qui montrait qu’aucune limitation fondamentale ne s’opposait à l’obtention d’une sensibilité suffisante, mais que les technologies existantes en matière de lasers (stabilité, puissance, fiabilité), d’optique, d’isolation sismique, entre autres, devaient être améliorées par plusieurs ordres de grandeur.</p>
<h2>Un challenge follement ambitieux</h2>
<p>Le « challenge » n’était donc pas impossible, mais plutôt follement ambitieux. D’autre part, la sensibilité nécessaire était mal connue. Pour certaines sources possibles d’OG, comme les <a href="https://www.astronomes.com/la-fin-des-etoiles-massives/supernova/">explosions de supernovae</a>, on connaissait à peu près la fréquence des événements (un ou deux par siècle et par galaxie), mais très mal l’amplitude et la forme du signal gravitationnel attendu.</p>
<p>D’autre part les travaux de <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Thibault_Damour">Thibault Damour</a> depuis la fin des années 1970 ont permis de calculer le signal émis par un système de deux étoiles à neutrons dans la phase de coalescence (phase de mouvement en spirale qui précède leur fusion), mais on ne connaissait alors qu’un seul objet de ce type, et la fréquence des événements était totalement inconnue. Au début des années 1980, il devenait clair que la technique interférométrique était la plus prometteuse et en plus de Weiss à Boston, deux poignées de chercheurs, à l’Université de Glasgow, dirigée par Ron Drever, et à l’Institut Max Planck de Garching (RFA) développaient des prototypes d’interféromètres.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"941774141270638592"}"></div></p>
<p><a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Kip_Thorne">Kip Thorne</a> (prix Nobel 2017) fit alors inviter Ron Drever à Caltech pour y développer un prototype de 30m et concevoir un interféromètre en vraie grandeur (4km), et la <a href="https://www.nsf.gov/">NSF</a> (National Science Foundation) encouragea une collaboration Caltech-MIT, co-dirigée par Rai Weiss et Ron Drever.</p>
<p>Pendant ce temps, Thibault Damour m’intéressa au sujet, avec son image de « nouvelle fenêtre ouverte sur l’Univers », signifiant que l’observation d’ondes gravitationnelles viendrait complémenter les observations électromagnétiques, jusqu’alors sources exclusives d’informations sur notre Univers.</p>
<p>Je décidai donc de rendre visite à Rai Weiss, qui me donna son rapport (quelques centaines de pages de schémas et de calculs) et se montra très ouvert à de futures collaborations. Je décidai rapidement d’orienter mes futures recherches dans cette voie, avec Nary Man comme co-expérimentatrice, et Jean Yves Vinet comme théoricien/modélisateur.</p>
<h2>Des débuts laborieux</h2>
<p>Les débuts en France furent difficiles ; il fallait trouver des financements pour développer une technique laser adaptée (notre premier objectif), un laboratoire d’accueil, un statut administratif, et recruter quelques chercheurs, ingénieurs et techniciens, alors que les départements de physique du CNRS sollicités se montraient tous intéressés mais réticents à prendre la responsabilité d’une entreprise aussi risquée.</p>
<p>En 1985, nous rencontrâmes Adalberto Giazotto, qui avait commencé à l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) de Pise l’étude d’un système d’isolation sismique ultra-performant, et compte tenu de la complémentarité de nos efforts, nous décidâmes immédiatement de travailler ensemble à un projet commun italo-français, plus tard baptisé <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Virgo_(interf%C3%A9rom%C3%A8tre)">Virgo</a>.</p>
<p>Contrairement aux autres équipes, nous avons choisi de développer en vraie grandeur chaque composant critique d’un futur interféromètre, plutôt que de s’en approcher progressivement par la mise au point de prototypes de dimensions croissantes. En 1989, nous avions montré la faisabilité d’un laser et d’une isolation sismique adéquats.</p>
<p>Nous avons alors proposé le projet Virgo, simultanément au CNRS et à l’INFN, avec un faible espoir que le projet soit financé un jour, compte tenu du risque et du coût élevé qu’il présentait. Mais il se trouva que les directions des deux instituts acceptèrent ce risque et firent approuver le projet par les deux ministres de la recherche alors en place.</p>
<h2>L’argent et les personnes arrivent</h2>
<p>Virgo, situé près de Pise, commença à être financé en 1994, deux ans après le projet américain LIGO, qui consiste en deux détecteurs, l’un au nord-ouest, l’autre au sud-est des USA. Pour LIGO comme pour Virgo, il avait fallu que les équipes initiales puissent être fortement renforcées par l’arrivée de physiciens des particules, libérés aux USA par l’abandon d’un grand projet d’accélérateur de particules, et en Europe par la fin des expériences du LEP, au CERN.</p>
<p>Dans les deux cas, il restait à surmonter quelques difficultés, comme l’organisation des équipes, dont la taille se trouvait soudainement multipliée par un facteur de 5 à 10, avec une diversité de cultures scientifiques.</p>
<p>Il restait d’autre part à résoudre plusieurs problèmes délicats concernant la qualité des principaux composants optiques : homogénéité et absorption du matériau des miroirs, qualité de leur polissage, et réflectivité. Dans tous ces domaines, les compagnies américaines et européennes n’étaient pas capables de délivrer les spécifications demandées, et n’étaient guère enthousiastes pour investir dans le travail de recherche nécessaire, le marché se limitant à LIGO et Virgo.</p>
<p>Heureusement, Le CNRS et l’INFN acceptèrent de construire à Lyon un nouveau laboratoire entièrement dédié (le <a href="http://lma.in2p3.fr/">Laboratoire des Matériaux Avancé</a>, LMA, conçu, puis dirigé par JM Mackowski) et aujourd’hui le seul au monde capable de produire des miroirs de qualité suffisante pour Virgo, mais aussi pour LIGO et KAGRA, le détecteur en construction au Japon.</p>
<h2>Les premières détections</h2>
<p>Après une première génération, qui avait atteint ses objectifs de sensibilité autour de 2005 sans toutefois détecter d’OG, LIGO et Virgo ont reçu l’autorisation et les moyens de développer des interféromètres de seconde génération, baptisés <a href="https://www.advancedligo.mit.edu/">« Advanced LIGO »</a>, puis <a href="http://public.virgo-gw.eu/language/fr/">« Advanced Virgo »</a>, toujours avec le décalage initial de 2 ans, et avec quelques variantes techniques.</p>
<p><div data-react-class="Tweet" data-react-props="{"tweetId":"913320390025506816"}"></div></p>
<p>Après les premières détections par LIGO d’OG résultant de coalescences de trous noirs, Virgo a atteint une sensibilité voisine en août 2017, se joignant à LIGO pour détecter une autre coalescence de trous noirs, puis une coalescence d’étoiles à neutrons, qui signe réellement l’ouverture de cette « nouvelle fenêtre sur l’Univers ».</p>
<p>En effet, contrairement aux trous noirs, qui sont des distorsions de l’espace sans contenu matériel, et dont la coalescence ne produit pas d’ondes électromagnétiques, la coalescence d’étoiles à neutrons s’accompagne de réactions nucléaires. De plus, cette première détection simultanée par trois détecteurs a permis de localiser la source par triangulation.</p>
<p>Il en résulte que plusieurs dizaines de détecteurs d’ondes électromagnétiques, des rayons gamma aux ondes radio en passant par la lumière visible et infrarouge, ont pu étudier l’événement et fournir de multiples informations. D’abord la vérification du fait que les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, puisque les temps d’arrivée des OG et de l’impulsion gamma ne diffèrent que de moins de 2 s (sur un temps de propagation de 140 millions d’années).</p>
<p>Cette coïncidence a aussi révélé l’origine des atomes lourds, jusqu’alors mystérieuse, car on a pu observer que cette coalescence d’étoiles à neutrons a produit de grandes quantités de plomb, d’uranium, de platine, d’or (la masse d’or et de platine produite est supérieure à la masse de la terre !).</p>
<p>En même temps, ces détections posent de nouvelles questions : quel est par exemple le processus de formation des trous noirs de 20 ou 30 masses solaires, qui semblent bien plus nombreux qu’on ne l’estimait jusque-là ?</p>
<p>La mise au point finale des détecteurs LIGO et Virgo, qui devrait se terminer dans un an, permettra de multiplier les observations, et certainement de résoudre d’autres problèmes, tout en posant de nouvelles questions, ce qui aboutira nécessairement à la construction de nouveaux détecteurs de sensibilité croissante, sur terre et dans l’espace.</p>
<p>Il est intéressant de noter que cette nouvelle astronomie est fondamentalement un effort mondial, par l’intérêt qu’il y a d’avoir des détecteurs répartis sur toute la Terre (pour localiser les sources) et par le fait qu’elle requiert des technologies extrêmement pointues : pour réaliser des miroirs adéquats, la silice est produite en Allemagne, le polissage aux USA, et le traitement réfléchissant en France, de prochaines améliorations sont attendues d’Allemagne et du Japon, un détecteur est en construction en Inde, etc.et chaque publication est signée par plus d’un millier de chercheurs de nationalités variées.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/89343/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.</span></em></p>Retour sur le développement des instruments ayant permis la détection des ondes gravitationnelles par ceux qui les ont réalisés.Alain Brillet, Directeur de recherche émérite au CNRS, Centre national de la recherche scientifique (CNRS)Adèle La Rana, Physicienne et historienne des sciences, Sapienza University of RomeLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/878082017-11-23T21:29:37Z2017-11-23T21:29:37ZA l’écoute des murmures de l’Univers : ma belle aventure autour d’une découverte « astronomique »<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/195598/original/file-20171121-6035-12xqkxg.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C139%2C771%2C442&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Vue d’artiste des contreparties électromagnétiques des ondes gravitationnelles détectées le 17 août 2017. Au centre, le moteur central formé à l’issus de la coalescence d’étoiles à neutrons, les deux jets orange représentent le sursaut gamma, le bulbe bleu ciel l’émission isotrope de la kilonova et sa propagation.</span> <span class="attribution"><span class="source">NASA/CI Lab</span></span></figcaption></figure><figure class="align-right ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=305&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=305&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=305&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=383&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=383&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/123575/original/image-20160523-11010-17x91o4.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=383&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption"></span>
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</figure>
<p><em>Nous vous proposons cet article en partenariat avec l’émission de vulgarisation scientifique quotidienne <a href="https://www.franceinter.fr/emissions/la-tete-au-carre">« La Tête au carré »</a>, présentée et produite par Mathieu Vidard sur France Inter. L’auteure de ce texte évoquera ses recherches dans l’émission du 24 novembre 2017 en compagnie d’Aline Richard, éditrice science et technologie pour The Conversation France.</em></p>
<hr>
<p>Une fabuleuse découverte ! Le 17 août dernier, la collaboration <a href="http://ligo.org/">LIGO</a>-<a href="http://www.virgo-gw.eu/">Virgo</a> détectait des signaux venus du plus profond du cosmos de la fusion (ou coalescence) de deux étoiles à neutrons, situées à 130 millions d’années-lumière de la Terre. Un nouveau domaine scientifique – l’astronomie multi-messagers – gagnait ainsi ses lettres de noblesse. Cette branche de l’astronomie se focalise sur des phénomènes brefs et cataclysmiques se produisant au sein de notre Univers, tels la fusion d’objets compacts (trous noirs et/ou étoiles à neutrons) ou l’effondrement d’étoiles très massives. Ces événements peuvent émettre de la lumière dans toutes les longueurs d’onde, nous fournissant de précieuses informations sur les processus en jeu, ainsi que la localisation, la galaxie et l’environnement associés. De nouveaux « messagers », comme les ondes gravitationnelles, nous apportent des informations supplémentaires en nous éclairant sur la nature des astres qui fusionnent, les propriétés du système (masse, orientation…) et leur distance.</p>
<h2>L’Univers, notre laboratoire</h2>
<p>Pour l’astrophysicienne que je suis, l’Univers est un laboratoire : nous, scientifiques, récoltons ce que le ciel veut bien nous donner. Il faut savoir se tenir prêt et ne pas rater la moindre occasion d’acquérir de l’information. Grâce, notamment, à des outils de pointe comme les instruments américains (LIGO) et européen (Virgo), et à des processus d’analyse des données intensifiés. Il s’est ainsi déroulé 20 ans – 20 ans de travail et de persévérance – entre les premières étapes de construction puis de mise en route et la première détection d’ondes gravitationnelles provenant d’une coalescence de deux trous noirs en 2015. Les équipes françaises se sont largement investies.</p>
<p>Dans mon laboratoire d’Orsay, le <a href="https://www.lal.in2p3.fr/">Laboratoire de l’accélérateur linéaire</a> (LAL), nous sommes ainsi impliqués dans la mise au point de l’interféromètre, la caractérisation du bruit de mesure et la mise au point des protocoles d’analyse des données expérimentales obtenues, avec en particulier la recherche de signaux transitoires longs ou émis par des cordes cosmiques.</p>
<p>En novembre 2016, la deuxième campagne d’observation des ondes gravitationnelles par les deux interféromètres LIGO a démarré. En parallèle, et après de longs mois de travail jalonnés par de nombreuses difficultés techniques (prévues ou non), l’interféromètre européen Virgo rejoignit la campagne d’observation au début du mois d’août 2017, apportant une précision et une sensibilité accrues : trois interféromètres pour une quête étoilée.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=334&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=334&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=334&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=420&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=420&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/195604/original/file-20171121-6031-cypizf.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=420&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Carte du monde résumant la campagne d’observation du suivi des ondes gravitationnelles détectées le 17 août 2017 menées par les groupes d’astronomes partenaires de la collaboration LIGO/Virgo.</span>
<span class="attribution"><span class="source">LIGO/Virgo</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Vous pouvez donc imaginer que, pour la plupart d’entre nous, la simple notion de « vacances » fut, ce fameux été, assez particulière ! Même si certains avaient dû se résoudre au départ, tirés par la manche par leurs familles, ils ne s’éloignaient jamais longtemps de leur ordinateur ou de tout autre moyen de communication. Le mois d’août fut en effet un véritable florilège d’alertes d’ondes gravitationnelles : jours et nuits, nos téléphones sonnaient pour des nouvelles. Aussitôt, sous l’œil amusé, et résigné, de nos proches, nous interrompions séance tenante nos activités, quasi en transe ! C’est ainsi que l’Univers s’invitait en plein jeux d’enfants sur une plage niçoise, en randonnée dans la forêt bourguignonne, dans les rayons d’un supermarché du Pays Basque, sur l’autoroute charentaise en visite chez la grand-mère ou bien dans la chaleur de nos locaux universitaires. L’appel des ondes gravitationnelles transportait les membres de notre collaboration dans une nervosité surréaliste… mais la concentration nous reprenait rapidement, lors de chaque visioconférence suivant les alertes.</p>
<p>Une série de vérifications ont alors été effectuées pour qualifier ces alertes : quel algorithme a « déclenché », c’est-à-dire à observer une possible onde gravitationnelle ? Quels « interféromètres » (les détecteurs) ont détecté le signal ? Est-il astrophysique ou une simple source de bruit ?</p>
<h2>Un 17 août extraordinaire</h2>
<p>L’événement du 17 août fut renversant : une dizaine de minutes après l’alerte, nos premières estimations indiquaient une coalescence d’objets de faibles masses. Mais, au même moment, nous avions surtout suspecté la détection d’un <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Sursaut_gamma">sursaut gamma</a> par un satellite spatial, phénomène attendu comme contrepartie lumineuse de la fusion de deux astres formés de matière très dense à laquelle nous venions peut-être – probablement – d’assister. Il était alors 14h en France mais à peine 6h du matin pour nos collègues américains, extirpés en urgence de leurs lits douillets.</p>
<p>Durant la visioconférence organisée immédiatement après, tout ne s’est pas déroulé comme prévu : un seul des trois interféromètres avait détecté le signal de façon automatique, rendant ainsi la localisation de l’événement sur la voûte céleste impossible. Il a fallu presque cinq heures pour analyser manuellement le reste des données et envoyer les informations – désormais complètes – aux observatoires partenaires. Le résultat fut brillant : un signal saisissant sur les interféromètres LIGO, une précision de localisation inégalée grâce à l’apport de Virgo, pour un événement à une distance « très proche » (à l’échelle de l’Univers) de nous. Ce cocktail de bonnes nouvelles entretenait une excitation contagieuse chez les astronomes partenaires, la traque d’un signal électromagnétique étant désormais de l’ordre du possible.</p>
<p>Ainsi, à condition d’être muni d’un télescope situé dans l’hémisphère sud, il était possible de diriger ses observations vers des galaxies extrêmement intéressantes, pouvant être le siège de l’événement observé en ondes gravitationnelles. Cela tombait bien : la nuit gagnait déjà le ciel chilien. Près de 10 heures après la détection initiale, un signal transitoire dans la galaxie NGC4993 fut détecté par un télescope appelé SWOPE. Ce signal très brillant ne correspondait pas à des astres connus. La comparaison avec des observations du télescope DLT40 effectuées vingt jours auparavant confirmait le caractère nouveau de la source.</p>
<h2>Une nouvelle « kilonova »</h2>
<p>Dans la foulée, des observatoires spatiaux en orbite braquèrent leurs télescopes dans cette direction. Le télescope UVOT confirma que la luminosité de ce point diminuait rapidement en ultraviolet. Dans les jours qui suivirent, une armée de télescopes au sol – aux quatre coins du Globe – pointa en direction de la source, pour faire le plein de données en photométrie et en spectroscopie. Leurs résultats furent transmis au fur et à mesure aux 70 équipes impliquées. Il n’y a avait plus de doute, NGC4993 était bien la galaxie hôte de l’événement et on avait observé un nouveau phénomène dénommé <a href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Kilonova">« kilonova »</a>, potentiellement capable d’expliquer l’origine de certains éléments chimiques lourds comme l’or.</p>
<p>Les observations dans ces multiples longueurs d’onde durèrent des semaines. La persévérance des équipes mit aussi en lumière deux émissions supplémentaires, détectées respectivement 9 et 16 jours plus tard, en lien avec le sursaut gamma. Il s’ensuivit alors un mois et demi de travail acharné d’analyse et de validation des données. L’organisation des publications conjointes physique/astronomie fut un véritable casse-tête, parfois émaillé de rivalités au sein de la communauté des astronomes.</p>
<p>Mais, en dépit de toutes ces difficultés, les observations conjointes des ondes gravitationnelles et de leur contrepartie électromagnétique étaient d’une telle beauté – donnant pour la première fois une représentation globale d’un phénomène violent – que le nombre de <a href="https://arxiv.org/abs/1710.05832">publications</a> <a href="https://arxiv.org/abs/1710.05833">scientifiques</a> simultanées fut sans précédent dans la communauté ! Toutes parurent de concert à l’occasion des conférences de presse organisées de par le monde le <a href="http://ligo.org/detections/GW170817/press-release/pr-english.pdf">16 octobre</a>, au cours desquelles astronomes et physiciens célébrèrent ensemble leurs observations.</p>
<p>Cette grande découverte est une ode à la connaissance qui a lié, dans une aventure scientifique hors norme, des hommes et des femmes de toutes nationalités, âges et cultures aux compétences multiples ; opérateurs, techniciens, physiciens, ingénieurs. Désormais, nous avons un an pour préparer interféromètres et télescopes en vue de la prochaine campagne d’observation des ondes gravitationnelles. Rendez-vous pour une nouvelle moisson de découvertes passionnantes !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/87808/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Sarah Antier ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Le 17 août dernier, une double découverte a fait grandement avancer l’astronomie. Récit personnel d’une jeune astrophysicienne française.Sarah Antier, Astrophysicienne, Laboratoire de l'accélérateur linéaire, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/748172017-03-19T21:04:14Z2017-03-19T21:04:14ZLes ondes gravitationnelles : l’aventure continue<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/161403/original/image-20170319-6123-1ciphdc.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Simulation de fusion de trous noirs. </span> <span class="attribution"><span class="source">LAL Virgo</span>, <span class="license">Author provided</span></span></figcaption></figure><p><em>Alors que de nouvelles ondes gravitationnelles ont été détectées issues de la fusion de deux trous noirs, revenons aux premières découvertes.</em> </p>
<hr>
<p>Le 11 février 2016, les collaborations <a href="http://www.ligo.org/">LIGO</a> et <a href="https://www.ego-gw.it/public/virgo/virgo.aspx">VIRGO</a> annonçaient la toute première détection d’une onde gravitationnelle (détectée en septembre 2015). En juin, une deuxième annonce confirmait la sensibilité du détecteur LIGO. Ainsi, les équipes de recherche des membres de l’Université Paris-Saclay ont participé au développement d’une nouvelle astronomie.</p>
<p>Une onde gravitationnelle est une perturbation de l’espace-temps qui se propage à la vitesse de la lumière. En effet, d’après la théorie de la relativité générale d’Einstein, tout objet massif déforme l’espace-temps autour de lui. Quand cet objet est en mouvement accéléré, ces déformations se propagent, un peu comme des vagues à la surface de l’eau.</p>
<h2>Fusion de trous noirs</h2>
<p>De nombreux phénomènes astrophysiques très énergétiques génèrent de telles ondes gravitationnelles. Un instrument terrestre, comme LIGO ou VIRGO, peut détecter les ondes générées par de grandes masses en mouvement, comme l’effondrement d’étoiles massives ou la fusion d’étoiles compactes (étoiles à neutrons, trous noirs, etc.) Par exemple, les deux détections déjà confirmées correspondent à la fusion de deux trous noirs.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=325&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=325&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=325&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=408&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=408&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/161404/original/image-20170319-6094-1dmzcca.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=408&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Vue aérienne du détecteur Virgo.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Virgo_aerial_view_01.jpg#/media/File:Virgo_aerial_view_01.jpg">The Virgo collaboration/Wikipedia</a></span>
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<p>Les premières ondes gravitationnelles découvertes proviennent de trous noirs. Elles ont été repérées grâce à une méthode de calque : les scientifiques cherchaient un signal avec une forme précise. Les ondes générées par la lente danse des deux trous noirs l’un autour de l’autre ont été modélisées de façon analytique, tout comme le comportement du trou noir final issu de la fusion des deux trous noirs d’origine.</p>
<p>La forme de l’onde générée par la fusion elle-même a été prédite grâce à des simulations numériques complexes. Les trois signaux ont ensuite été assemblés pour former un calque qui a servi à analyser les données des détecteurs. Pour des étoiles à neutrons, objets plus complexes qu’un trou noir puisque ce dernier ne contient pas de matière, les prédictions concernant la fusion proprement dite sont plus difficiles. Les calques ne concernent donc que la partie (résolue analytiquement) de la longue spirale des deux étoiles l’une vers l’autre. Il faudra donc être capable de repérer l’inattendu pour la partie correspondant à la fusion.</p>
<h2>Des masses surprenantes</h2>
<p>En plus de confirmer l’existence des ondes gravitationnelles, la découverte annoncée en février était étonnante car les trous noirs qui ont fusionné possédaient une masse bien plus importante que ce que l’on attendait. Nos modèles prédisaient l’existence de trous noirs de 10 à 20 masses solaires. Cette première observation directe de trous noirs révélait des objets de 29 et 36 masses solaires, fusionnant pour donner un trou noir de plus de 60 masses solaires ! Comme la fusion de trous noirs n’est pas observable avec les messagers habituellement utilisés en astronomie, aucune n’avait pu être observée jusque-là. Ces masses surprenantes remettent donc en question les modèles que nous avions pour décrire un trou noir.</p>
<p>La deuxième détection était également issue de la fusion de deux trous noirs. <a href="https://groups.lal.in2p3.fr/virgo/">Au Laboratoire de l’Accélérateur linéaire membre de la collaboration VIRGO</a>, nous espérons aussi repérer d’autres sources qui dévoileraient une physique plus riche. Quatre groupes travaillent actuellement à l’analyse des données de LIGO : ceux qui étudient les « binaires » (trous noirs, étoiles à neutrons) ont vu leurs vœux exaucés l’an dernier mais d’autres chercheurs travaillent sur les signaux « burst » (des supernovae aux… cordes cosmiques) qui sont encore mal prédits, sur les « fonds stochastiques » d’origine cosmologique ou astrophysique, ou encore sur les signaux périodiques (pulsars).</p>
<h2>Une nouvelle astronomie</h2>
<p>Les trous noirs, sans matière, sont en effet les sources d’ondes gravitationnelles les plus « simples ». Les autres sources produisent des signaux optiques, radio ou électromagnétiques ou des neutrinos, en plus des ondes gravitationnelles. Une extraordinaire astronomie « multi-messagers » se met ainsi en place : pour un même objet observé, des informations complémentaires peuvent nous parvenir par des canaux différents. Une supernova pourra ainsi être détectée d’abord par les ondes gravitationnelles puis les neutrinos avant le flash lumineux.</p>
<p>Jusqu’ici, seul ce dernier était repérable : il nous signalait l’événement bien trop tard pour avoir accès à l’ensemble du processus et aux informations qui pourraient être révélées par les ondes gravitationnelles.</p>
<p>Chaque signal demande une analyse différente et une utilisation particulière des données recueillies par les détecteurs. Ceux-ci seront par exemple sensibles seulement aux supernovae issues de notre propre galaxie (un à deux sont prévues par siècle !), alors que les binaires de trous noirs, plus énergétiques, seront visibles plus loin. À plein régime sur LIGO et VIRGO, on vise jusqu’à plusieurs dizaines de détections d’ondes gravitationnelles par an et jusqu’à des distances dépassant le gigaparsec (l’univers observable a un diamètre d’environ 28.5 gigaparsecs).</p>
<h2>Pièces optiques</h2>
<p>Le LAL est par ailleurs très impliqué dans le développement de l’instrumentation utilisée par VIRGO, notamment dans le contrôle du détecteur. Cet instrument est très sensible aux bruits sismiques, à l’agitation thermique, etc. Le contrôle des pièces optiques est donc très complexe et doit être très précis. Nous développons aussi des méthodes d’optimisation pour améliorer la sensibilité du détecteur. Il y aussi de nombreux bruits possibles qu’il faut caractériser pour les repérer (certains miment par exemple des supernovae !) et chercher à éliminer. Pour nous aider dans ces tâches, nous avons un prototype à disposition, une sorte de mini-VIRGO.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=340&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=340&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=340&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=428&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=428&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/161405/original/image-20170319-6097-qfvu0l.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=428&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Instrumentation du détecteur Advanced Virgo (CALVA).</span>
<span class="attribution"><span class="source">calvaoptics/LAL</span>, <span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Le « vrai » VIRGO est en ce moment en fin de travaux de mise à niveau. Cet « Advanced VIRGO » devrait être prêt bientôt. Puisque LIGO sera encore en fonctionnement sans doute jusqu’à fin août, les collaborations disposeront alors de 3 détecteurs qui pourront travailler main dans la main pour mieux reconstruire les signaux reçus et préciser la position des sources de ces signaux dans le ciel. Au LAL, nous rêvons de faire aussi bien que LIGO en repérant une fusion de trous noirs puis de détecter de nouveaux types de sources pour la première fois !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/74817/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Patrice Hello a reçu des financements de CNRS, labex P2IO, EGO, ANR, fondation Del Ducca.</span></em></p>L’annonce de la découverte des ondes gravitationnelles, prédites par la théorie de la relativité générale d’Einstein, nous conduit à une nouvelle astronomie. Voici pourquoi.Patrice Hello, Chercheur en astronomie gravitationnelle, directeur de l’équipe Virgo du LAL, Université Paris-SaclayLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/547062016-02-15T05:43:08Z2016-02-15T05:43:08ZEinstein et les ondes gravitationnelles : une heureuse idée, vraiment<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/111391/original/image-20160213-29172-n9pm4y.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Illustration de la courbure de l'espace-temps.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spacetime_curvature.png">Johnstone/Wikimedia</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>C’est un beau jour de novembre 1907 qu’Einstein eut l’idée qui fut à ses yeux « la plus heureuse de sa vie » : </p>
<blockquote>
<p>J’étais assis sur ma chaise au Bureau fédéral de Berne. Je compris soudain que si une personne est en chute libre, elle ne sentira pas son propre poids. J’en ai été saisi. Cette pensée me fit une grande impression. Elle me poussa vers une nouvelle <a href="http://www.aim.ufr-physique.univ-paris7.fr/CHARNOZ/homepage/GRAVITATION/grav7.html">théorie de la gravitation</a>.</p>
</blockquote>
<p>Ce qu’Einstein venait là de comprendre, c’est que lorsque nous tombons en chute libre, tout ce qui est proche de nous (parapluie, chapeau) tombe comme nous puisque la vitesse de chute des objets est la même pour tous. Nous avons donc l’impression que la pesanteur a disparu dans notre voisinage alors même que nous sommes en train de subir sa loi. N’est-ce pas bizarre ?</p>
<p>Einstein prolongea cet émoi en énonçant le « principe d’équivalence » selon lequel il y a une sorte d’identité entre accélération et gravitation. Huit années plus tard, c’est-à-dire il y a très exactement un siècle, à l’issue d’un labeur acharné, il publia plusieurs articles présentant une théorie révolutionnaire de la gravitation, « la théorie de la relativité générale ». Selon elle, l’espace-temps n’est pas rigide mais souple, dynamique, courbé, et la gravitation n’apparaît plus comme une force proprement dite se propageant au travers de l’espace : son action sur un corps n’est qu’un effet de la déformation de la géométrie à l’endroit où se trouve ce corps.</p>
<h2>Le scarabée aveugle</h2>
<p>Tout ceci semble compliqué, mais Einstein savait expliquer simplement ses travaux. Lorsque Eduard, son second fils, lui demanda pourquoi il était devenu si célèbre, il obtint cette jolie réponse : « Quand un scarabée aveugle marche à la surface d’une branche incurvée, il ne se rend pas compte que le chemin qu’il suit est lui aussi incurvé. J’ai eu la chance de remarquer ce que le scarabée ne peut pas voir ».</p>
<p>En 1916, alors qu’il était malade, épuisé par ces années de travail intense, Einstein commença à se demander si une masse en mouvement accéléré pouvait rayonner des <a href="https://theconversation.com/les-ondes-gravitationnelles-quest-ce-que-cest-54487">« ondes gravitationnelles »</a>, de la même façon qu’une charge électrique qu’on accélère rayonne des ondes électromagnétiques. Il découvrit rapidement des solutions de ses équations correspondant à des ondulations de l’espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière. Au cours de leur voyage, elles devraient secouer l’espace-temps, ce qui aurait pour effet de modifier brièvement la distance séparant deux points dans l’espace.</p>
<h2>Il y a un milliard d’années…</h2>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=383&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=383&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=383&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=482&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=482&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/111405/original/image-20160214-29207-1065krr.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=482&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Deux trous noirs en train de fusionner, image reconstituée grâce aux téléscopes Chandra et Hubble.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.flickr.com/photos/nasamarshall/3987742020">NASA/Flickr</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/">CC BY-NC</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>La gravitation étant très faible en intensité, de telles ondes sont très difficiles à détecter. De fait, elles n’ont pu l’être qu’avec la complicité d’un événement gargantuesque qui s’est produit il y a plus d’un milliard d’années : deux trous noirs voisins ont fusionné à une vitesse égale aux deux tiers de la vitesse de la lumière ; ce phénomène hyperviolent a libéré une énergie inimaginable en seulement 20 millisecondes, et engendré un train d’ondes gravitationnelles qui ont progressivement perdu de la puissance au cours de leur long voyage ; leur passage au travers de la Terre, le 14 septembre 2015, a pu être détecté grâce à une expérience extrêmement sensible baptisée <a href="http://www.ligo.org/">LIGO</a>. Attardons-nous une seconde sur la prouesse réalisée : les variations de longueur que cet instrument est parvenu à mesurer sont largement inférieures à la taille d’un proton !</p>
<p>Mathématiquement articulée, la physique agit décidément comme un véritable treuil ontologique : elle révèle de nouveaux éléments de réalité, ainsi qu’elle le fit déjà en 2012 avec la découverte du boson de Higgs. Mais là, l’histoire a des allures de joli pied de nez, car Einstein n’a jamais cru en l’existence des trous noirs. Or ce sont bien deux tels objets qui, en s’accouplant jusqu’à ne plus faire qu’un, viennent de lui donner raison à propos des ondes gravitationnelles !</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/54706/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Etienne Klein ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>Le scarabée aveugle marchant sur une branche courbée ne se rend pas compte que le chemin est incurvé. Einstein, si. Cela l’a mené aux ondes gravitationnelles, nous raconte le physicien Étienne Klein.Etienne Klein, Directeur de recherches au CEA, Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)Licensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/544872016-02-11T15:38:12Z2016-02-11T15:38:12ZLes ondes gravitationnelles, qu’est-ce que c’est ?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/110948/original/image-20160210-12137-19gjvdj.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">Simulation par ordinateur des ondes gravitationnelles produites lors de la fusion de deux trous noirs.</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:When_Black_Holes_Collide.jpgv">Werner Benger</a>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span></figcaption></figure><p>L’annonce, cet après-midi, selon laquelle des scientifiques du <a href="http://www.space.com/25455-ligo-documentary-film-complete-coverage.html">projet LIGO</a> aux États-Unis ont réussi à détecter dans l’espace des oscillations jusqu’ici théoriques connues sous le nom d’ondes gravitationnelles représente l’une des découvertes majeures du XXI<sup>e</sup> siècle en matière de physique. Mais de quoi s’agit-il ?</p>
<p>Pour mieux comprendre de quoi il retourne, revenons quelques siècles en arrière. En 1687, lorsqu’Isaac Newton a publié sa <a href="http://www.theguardian.com/science/2011/dec/12/isaac-newton-principia-mathematica"><em>Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica</em></a>, il envisageait la gravitation comme une force d’attraction entre deux masses : la Terre et la Lune, deux petits pois sur une table, etc. Ce que l’on s’expliquait moins bien à l’époque, c’était la façon dont cette force se diffusait. Il a fallu attendre 1798 pour que le scientifique britannique <a href="http://www.notablebiographies.com/Ca-Ch/Cavendish-Henry.html">Henry Cavendish</a> valide la théorie de Newton en mesurant la densité de notre planète.</p>
<p>Faisons à présent un bond jusqu’en 1916, quand Einstein exposait aux physiciens sa <a href="https://theconversation.com/how-einsteins-general-theory-of-relativity-killed-off-common-sense-physics-50042">nouvelle conception de l’espace, du temps et de la gravité</a>. Basée sur les travaux qu’il avait publiés en 1905, la théorie de la relativité générale réunissait ce que nous considérons communément comme deux entités distinctes – le temps et l’espace – en un concept unique d’« espace-temps ». </p>
<p>On peut considérer que l’espace-temps est le tissu de l’univers : tout ce qui se déplace le traverse et tout ce qui possède une masse le déforme. Plus la masse est importante, plus la déformation est prononcée. Cette déformation influe sur les mouvements des objets de masse inférieure. </p>
<p>Imaginons deux enfants, dont l’un est plus lourd que l’autre, en train de sauter sur un trampoline. L’enfant le plus lourd déforme davantage le tissu que l’autre, de telle sorte qu’un ballon placé à ses pieds suivra cette distorsion. De même, quand la Terre tourne autour du soleil, l’énorme masse de ce dernier déforme l’espace, obligeant notre petite planète à suivre tant bien que mal le chemin le plus « direct » dans un espace courbé. C’est pour cette raison qu’elle orbite autour de lui.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=400&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=502&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=502&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/108310/original/image-20160115-7368-1hr8sts.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=502&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
<figcaption>
<span class="caption">Le trampoline, aussi récréatif qu’éducatif.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://pixabay.com/en/trampoline-children-playing-infant-241899/">Cotrim/Pixabay</a></span>
</figcaption>
</figure>
<p>Cette simple analogie nous permet de comprendre les bases de la gravité. Il ne reste plus qu’à franchir un petit pas, mais un pas très important, pour passer aux ondes gravitationnelles. Si l’un des enfants traîne un objet lourd sur le trampoline, des ridules apparaissent à la surface de celui-ci, comme lorsqu’on déplace notre main dans l’eau. Cependant, ces ondes disparaissent rapidement.</p>
<p>Tout objet traversant le tissu de l’espace-temps provoque ainsi des ridules ou des ondes, mais celles-ci disparaissent malheureusement très vite. Seuls les événements les plus violents produisent des déformations suffisamment conséquentes pour être détectées sur Terre. À titre d’exemple, la collision de deux trous noirs dotés d’une masse dix fois supérieure à celle du soleil provoquerait, en nous parvenant, une onde de déformation correspondant à 1 % du diamètre d’un atome. À cette échelle, elle occasionnerait une modification du diamètre de la Terre de l’ordre de 0,0000000000001 mètre (à titre de comparaison, une grosse marée provoque une distorsion d’un mètre dans le diamètre de notre planète).</p>
<h2>À quoi peuvent servir les ondes gravitationnelles ?</h2>
<p>Dans la mesure où ces ondes sont infimes et extrêmement difficiles à détecter, on peut se demander pourquoi il importe de s’y intéresser. En dehors de ma simple curiosité, deux raisons me viennent immédiatement à l’esprit. Tout d’abord, un siècle après l’hypothèse d’Einstein, confirmer leur existence validerait davantage sa théorie de la relativité générale.</p>
<p>De plus, cette confirmation ouvrirait de nouveaux horizons à la physique, comme l’astronomie des ondes gravitationnelles. En <a href="https://theconversation.com/lisa-pathfinder-will-pave-the-way-for-us-to-see-black-holes-for-the-first-time-51374">étudiant</a> les processus violents qui les ont engendrées, nous pourrions percevoir dans le détail certains événements, comme la création de gigantesques trous noirs.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=450&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/108307/original/image-20160115-7341-y1j25j.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=566&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">LISA, l’interféromètre laser spatial du futur, pourrait examiner en détail les origines astrophysiques des ondes gravitationnelles.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LISA-waves.jpg">NASA</a></span>
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<p>Pour ce faire, il serait toutefois préférable de placer le détecteur d’ondes gravitationnelles en orbite. Le <a href="http://www.space.com/25455-ligo-documentary-film-complete-coverage.html">LIGO terrestre</a> a réussi à les capter par interférométrie laser, une technique qui consiste à diviser et envoyer un rayon laser dans deux directions perpendiculaires. Les deux trajectoires sont ensuite réfléchies par des miroirs jusqu’à leur point de départ. Si elles ont été perturbées par des ondes gravitationnelles, les rayons reconstitués sont différents des originaux. Les interféromètres spatiaux que l’on prévoit d’installer dans les dix ans à venir utiliseront des bras lasers d’une envergure d’un million de kilomètres.</p>
<p>A présent que leur existence est confirmée, on peut espérer que ces ondes permettront de résoudre quelques-uns des plus grands mystères scientifiques, notamment celui de la composition de la majeure partie de l’univers. Celui n’est constitué que de 5 % de matière ordinaire, mais de 27 % de matière noire et de 65 % d’énergie noire (nous les qualifions ainsi parce que nous ignorons quasiment tout d’elles). Les ondes gravitationnelles pourraient bien nous aider à sonder ces mystères, tout comme les rayons X puis les IRM ont fait avancer l’exploration du corps humain.</p>
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<em>Traduit par Catherine Biros/<a href="http://www.fastforword.fr">Fast for Word</a>.</em></p><img src="https://counter.theconversation.com/content/54487/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Gren Ireson ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n'a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.</span></em></p>La détection des ondes gravitationnelles annoncée aujourd’hui confirme les prédictions d’Einstein et ouvre une ère nouvelle en physique. Au fait, les ondes gravitationnelles, qu’est-ce que c’est ?Gren Ireson, Professor of Science Education, Research Coordinator within the School of Education, Nottingham Trent UniversityLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.