Les ondes gravitationnelles

Tout comme une charge électrique accélérée produit une onde électromagnétique, un objet massif accéléré  — par exemple en tournant autour d'un autre objet ou en entrant en collision — produit une onde gravitationnelle. Plus précisément, c'est l'accélération d'un objet possédant un moment quadrupolaire non nul, c'est-à-dire une masse dont la distribution n'est pas parfaitement sphérique et qui subit une accélération asymétrique, comme un système de deux corps en orbite l'un autour de l'autre. Lorsque ces masses se déplacent, elles perturbent la géométrie de l'espace-temps autour d'elles. Ces perturbations ne restent pas localisées; elles se propagent vers l'extérieur à la vitesse de la lumière, sous la forme d'une onde qui emporte avec elle de l'énergie.

Les ondes gravitationnelles sont ainsi des variations intrinsèques de la géométrie de l'espace-temps lui-même. Elles se déplacent à travers l'univers sans déplacer les masses, mais en étirant et en comprimant alternativement l'espace dans des directions perpendiculaires à leur direction de propagation.  Pour visualiser cet effet, on imagine ordinairement un cercle de particules tests flottant dans l'espace. Au passage de l'onde, ce cercle serait successivement déformé en un ovale horizontal, puis retrouverait sa forme circulaire, puis se déformerait en un ovale vertical, et ainsi de suite, de manière oscillatoire. Ces déformations sont toutefois d'une faiblesse extraordinaire, ce qui les a rendues si difficiles à détecter directement pendant un siècle. 

La détection des ondes gravitationnelles.
Première preuve indirecte (1974).
En 1974, Joseph Taylor et Russell Hulse découvrent le premier système de pulsar binaire connu, PSR 1913+16, également appelé la paire Hulse-Taylor. Ce système est composé de deux pulsars, des étoiles à neutrons extrêmement compactes et magnétisées qui émettent des rayons cohérents à intervalles réguliers (les pulsations). Taylor et Hulse observent que le périodique orbital du système diminue avec le temps, ce qui suggère une perte d'énergie. En comparant leurs observations aux prédictions de la relativité générale, ils concluent que cette perte d'énergie provient de l'émission d'ondes gravitationnelles. Cette découverte, récompensée par le prix Nobel de physique en 1993, constitue la première preuve indirecte de l'existence des ondes gravitationnelles, mais leur détectabilité directe a encore été comme  pendant plusieurs décennies hors de portée des technologies disponibles.

Les premières détections directes (depuis 2015).
Malgré cette confirmation théorique, il fallait encore détecter directement ces ondes gravitationnelles pour confirmer leur existence. Afin de confirmer l'existence des ondes gravitationnelles, des instruments sophistiqués, Ligo et Virgo, ont été conçus pour capter ces minuscules fluctuations de l'espace-temps. Le principe de détection de ces instruments est d'une élégance remarquable. Il utilise des interféromètres géants en forme de L, avec des bras de plusieurs kilomètres de long. Un faisceau laser est divisé en deux et envoyé dans chaque bras, où il est réfléchi par des miroirs suspendus pour revenir se recombiner. En l'absence d'onde gravitationnelle, les longueurs des bras sont identiques et les ondes lumineuses s'annulent par interférence destructive. Lorsqu'une onde passe, elle modifie très légèrement la longueur d'un bras par rapport à l'autre, de l'ordre d'un millième du diamètre d'un proton. Cette infime différence rompt l'annulation parfaite des lasers, permettant de détecter un signal lumineux et de reconstituer la forme de l'onde qui l'a causée. L'analyse des ondes gravitationnelles peut alors renseigner sur les propriétés des objets qui les ont émises : leurs masses, leur distance, leur rotation et leur orientation.

• Ligo. - Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), un projet international dirigé par Barry Barish, Kip Thorne, et Ronald Drever, est le premier observatoire conçu pour détecter directement les ondes gravitationnelles. Ligo utilise deux interféromètres laser, situés à Livingston, Louisiane, et à Hanford, Washington, chacun mesurant 4 km de longueur. Le 14 septembre 2015, Ligo observe pour la première fois une onde gravitationnelle interprétée issue de la fusion de deux trous noirs distants de 1,3 milliard d'années-lumière. Ce signal, codé sous le nom GW150914, est confirmé par un deuxième événement en 2015, GW151226, et un troisième, GW170104, en 2017. Ces découvertes marquent une nouvelle ère en astronomie, ouvrant la voie à une nouvelle fenêtre sur l'univers, permettant d'étudier des phénomènes cosmiques jusque-là invisibles.

• Virgo. - L'observatoire Virgo (nom en référence à l'amas de la Vierge), situé près de Pise en Italie, basé sur les mêmes principes que Ligo a été lancé parallèlement, sur la base d'un projet franco-italien remontant aux débuts des années 1990. Les deux programmes se rejoignent en  2017. Ensemble, Ligo-Virgo forment un réseau mondial capable de localiser et d'analyser plus précisément les sources d'ondes gravitationnelles. Cette collaboration permet de détecter des événements plus fréquents et plus variés, notamment des explosions de supernovae, ou la fusion de deux étoiles à neutrons comme l'événement GW170817, détecté en 2017, qui correspondait à une onde gravitationnelle issue de la fusion de deux étoiles à neutrons, suivie d'une explosion de kilonova. 

Les progrès technologiques et scientifiques ouvrent désormais la voie à de nouvelles perspectives. Les détecteurs spatiaux comme Lisa (Laser Interferometer Space Antenna), une mission de l'ESA et de la NASA prévue pour être lancée dans les années 2030, seront capables de détecter des ondes gravitationnelles à très haute fréquence, provenant de phénomènes tels que les trous noirs supermassifs et les interactions entre galaxies.