Crédits iconographiques

P. 13 – © NASA ; p. 21 – © NASA ; p. 30 – © T. Pyle/‌Caltech/‌MIT/LIGO Lab ; p. 58 (haut) – © Virgo Collaboration ; p. 58 (bas) – © Caltech/MIT/LIGO Lab ; p. 69 – © LIGO/T. Pyle ; p. 90 – d’après B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), « Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger », Phys. Rev. Lett. ; p. 105 – d’après © LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky ; p. 109 – © NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet ; p. 116 – © NASA and ESA ; p. 136 – © ESA/Planck Collaboration ; p. 163 – d’après © Caltech/MIT/LIGO Lab ; p. 164 – © Einstein Telescope project.

Création du principe de
couverture : Grégory Bricout

Illustrations : Rachid Maraï

© Dunod, 2019
11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff
www.dunod.com

ISBN : 978-2-10-079763-9

Ce document numérique a été réalisé par PCA

À Caterina et Santiago

Prologue

Le 12 février 2016, après plusieurs mois de fuites et de rumeurs, la nouvelle est officielle : les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois. L’événement s’est produit cinq mois plut tôt, le 14 septembre 2015 à 10 h 50, heure de Paris. Des petites ondulations de la géométrie de l’espace-temps ont traversé la Terre après un voyage de plus d’un milliard d’années. Leur passage a été enregistré par LIGO, un détecteur installé aux États-Unis1.

C’est Dave Reitze, le chef du projet LIGO, qui en fait l’annonce lors d’une conférence de presse de la National Science Foundation américaine, avec un ton direct et teinté d’émotion : « We did it ! We have detected gravitational waves. » (« Nous l’avons fait ! Nous avons détecté les ondes gravitationnelles. »)2

C’est le début d’une révolution. Dorénavant, l’astronomie utilisera aussi les vibrations de la gravité, et la puissance de ce nouveau messager est immédiatement évidente et incontestable : pour la première fois, des trous noirs avec des caractéristiques jamais observées auparavant sont détectés. Pour la première fois, on démontre que les trous noirs peuvent être liés dans des systèmes binaires, où ils orbitent l’un autour de l’autre et peuvent fusionner. Pour la première fois, la théorie de la relativité générale d’Einstein, la grande infrastructure théorique de l’astrophysique et de la cosmologie, est mise à l’épreuve dans un contexte complètement nouveau : celui des champs gravitationnels extrêmes des trous noirs.

Les deux détecteurs LIGO aux États-Unis ont enregistré, au milieu du brouhaha de la planète, une variation de distance d’un milliardième de milliardième de mètre entre deux miroirs éloignés de quatre kilomètres. Un gazouillement qui témoigne sans ambiguïté des derniers instants avant la fusion de deux trous noirs tournant à la moitié de la vitesse de la lumière.

Après ce mémorable 14 septembre, les détections d’ondes gravitationnelles continuent : il s’agit d’autres couples de trous noirs qui fusionnent, certains plus grands, d’autres plus petits. Chaque signal est un triomphe de la théorie d’Einstein et la démonstration que désormais le ciel n’est plus seulement fait de petits points lumineux, mais aussi de points noirs, qui émettent seulement des ondes de gravité.

Alors que les deux détecteurs LIGO poursuivent leurs observations, l’expérience européenne Virgo3 entre en fonction en août 2017. Le 17 août, des ondes de gravité sont détectées en coïncidence avec la lumière. Il s’agit de la fusion de deux étoiles à neutrons, la première jamais « observée » par des télescopes et « sentie » par les détecteurs des vibrations de la gravité. Ce jour-là, d’anciennes énigmes de l’astronomie sont résolues, comme l’origine d’une partie des éléments chimiques lourds, tels l’or et le platine. C’est aussi le banc d’essai d’une nouvelle façon de faire de la cosmologie : l’expansion de l’Univers est mesurée d’une façon complètement nouvelle. Ce jour-là, l’astronomie entre pleinement dans son ère « multi-messager ». La révolution est accomplie et il ne sera plus possible de revenir en arrière.

Tandis que j’écris, je suis dans la salle de contrôle du détecteur Virgo, à Pise. Autour de moi, des grands moniteurs accrochés aux parois montrent les faisceaux laser qui parcourent les deux bras en « L » de trois kilomètres du dispositif. Des écrans d’ordinateur me confirment que tout fonctionne et que nous pouvons observer des sources d’ondes gravitationnelles jusqu’à 75 millions d’années-lumière, soit cinq mille milliards de fois la distance Terre-Soleil4. Dehors, la campagne toscane déploie ses couleurs automnales. Les champs de blé sont balayés par le vent. Les drapeaux français et italien, principaux financeurs du projet, ainsi que le drapeau européen, flottent fièrement sur le parvis.

J’ai passé des centaines d’heures dans cette salle, en observant sur les moniteurs les signaux de contrôle de cette machine ultra-sensible qui est le fruit, au même titre que les deux détecteurs LIGO, de cinquante ans d’acharnement de centaines de physiciens et d’ingénieurs. Une épopée scientifique pleine d’incertitudes. Un symbole d’audace et de persévérance.

Cela fait plus de vingt ans que je travaille sur les ondes gravitationnelles, depuis le jour où je suis tombé sur l’annonce d’une offre de stage sur le projet Virgo. Depuis, j’ai consacré plus de la moitié de ma vie et toute ma carrière, comme chercheur au CNRS, à la détection de ces imperceptibles ondes de gravité, dont l’existence fut prédite par Albert Einstein en 1916.

Après le 14 septembre 2015, des dizaines de journaux en ont fait leur une : « Einstein avait raison : les ondes gravitationnelles existent. » Pourtant, dans une certaine mesure, il avait aussi tort : en marge de son article de 1916, il avait écrit que dans tous les cas imaginables, la puissance des ondes gravitationnelles est pratiquement nulle5.

Malgré cette prédiction du père de la relativité, nous voilà devenus les nouveaux astronomes des astres noirs, capables de voir des choses invisibles pour les autres et aussi d’indiquer aux télescopes de toute la planète où regarder : « Attention, des choses formidables sont en train de se produire dans cette région du ciel, allez tout de suite y pointer vos instruments ! »

C’est déjà arrivé le 17 août 2017 avec la fusion de deux étoiles à neutrons et cela se reproduira quand quelque chose d’extrêmement violent secouera encore les profondeurs de l’Univers.

En effet, contrairement aux télescopes optiques, qui n’observent qu’une petite partie du ciel et fonctionnent seulement la nuit par temps clair, LIGO et Virgo peuvent observer la totalité du ciel en même temps et sans interruption. Les ondes gravitationnelles ne se soucient pas des nuages et elles traversent la Terre tranquillement, comme si elle était transparente.

J’ai passé des jours et des nuits, avec mes collègues, dans cette salle de contrôle de Virgo à me battre avec les bruits6 de l’instrument, en cherchant à les identifier et à les réduire. Nous avons parcouru des kilomètres en arpentant les tunnels de Virgo, discutant de la meilleure façon d’améliorer la sensibilité de l’instrument. Nous avons mangé des dizaines de pizzas dans des cartons et bu des centaines de cafés en regardant osciller les miroirs d’un millionième de degré et en alignant d’énormes faisceaux laser. Nous avons piégé de la lumière dans des cavités optiques de trois kilomètres et vu, avec émotion, la sensibilité de l’instrument qui s’améliorait de plus en plus.

J’ai eu parfois de nouvelles idées et me suis précipité là-bas, avec ma Twingo, pour les tester. Depuis cette salle, j’ai maintes fois vu l’aube et, après une nuit de grands progrès, je suis aussi monté au sommet de la tour de Pise, en hommage au père de tous les prospecteurs de la gravitation, Galileo Galilei.

Pendant toutes ces années, j’ai rencontré des personnes extraordinaires, des chercheurs visionnaires et géniaux, dotés d’une confiance inébranlable en la mission que nous étions en train d’accomplir. Moi, par contre, j’ai douté. Après des années sans avoir détecté aucune onde gravitationnelle, j’ai songé à changer de voie, sans y parvenir.

J’ai enfin vu le premier signal de LIGO. J’ai partagé les doutes, le scepticisme et puis l’excitation d’une communauté d’un millier de personnes. Je me suis forcé à rester prudent avant de me laisser envahir par l’enthousiasme. C’est ainsi qu’un soir, après que la détection eut été confirmée, j’ai traversé Paris à vélo en hurlant d’émotion, et j’ai versé quelques larmes quand Dave Reitze a prononcé la phrase : « We did it! ».

J’ai été très heureux de ce premier signal et en même temps j’ai souffert, car Virgo, mon détecteur, ne fonctionnait pas encore et avait donc manqué à jamais cette « première fois ».

J’ai enfin éprouvé une joie absolue le 14 août 2017, assis sous le soleil aveuglant de la petite place d’un village italien. Virgo venait de détecter sa première onde gravitationnelle. Mon histoire avec ces perturbations de l’espace-temps, commencée vingt ans auparavant, se terminait avec l’onde qui venait de traverser l’instrument que j’avais contribué à construire. Je tournais enfin une page.

En octobre 2017, j’ai vu trois des pères du projet LIGO recevoir un prix Nobel de physique mérité7, mais qui était aussi le fruit d’une immense aventure collective : des instruments développés et des résultats obtenus par plus de mille personnes, qui avaient travaillé ensemble pendant des dizaines d’années.

Ce livre est le récit de cette aventure, de la plume d’Einstein à la salle de contrôle du détecteur Virgo. D’une simple équation aux découvertes astronomiques qu’elle a engendrées. Je raconterai surtout l’aventure scientifique et technique, mais aussi l’aventure humaine, en utilisant parfois mon propre vécu. Je décrirai la nature de ces vibrations de l’espace-temps et je raconterai la raison pour laquelle les ondes gravitationnelles ont été détectées seulement un siècle après leur prédiction, après bien des hésitations et des doutes « existentiels », y compris de la part d’Einstein lui-même.

Je parlerai d’espaces courbes et d’objets monstrueux : les trous noirs et les étoiles à neutrons. Je raconterai comment l’ingéniosité humaine s’est exprimée dans la construction d’instruments capables de mesurer l’infiniment petit, en heurtant les limites des lois de la physique, pour comprendre l’infiniment grand.

J’expliquerai pourquoi les ondes gravitationnelles sont en train de révolutionner notre vision de l’Univers, de dessiner un nouveau ciel et de nouvelles cartes géographiques cosmiques. Pour finir, je raconterai pourquoi les prochaines années seront passionnantes, quand, grâce à des instruments toujours plus sensibles, les sources d’ondes gravitationnelles seront devenues toujours plus nombreuses et leurs signaux de gravité plus clairs.

1

Des miettes cosmiques

« Ogni anno luce vale cento anni d’ombra. »

(Chaque année-lumière vaut cent années d’ombre.)

Alda Merini (1931-2009)

On pourrait définir l’astronomie comme une tentative héroïque et désespérée de recueillir chaque petite miette d’information qui nous parvient du ciel pour en extraire le plus de connaissances possible sur l’Univers.

Les premiers astronomes ont recueilli des miettes de lumière – la lumière de la Lune, celle du Soleil et des étoiles les plus brillantes –, tout d’abord avec les yeux et ensuite, à partir du XVIIe siècle, avec des instruments d’optique de plus en plus puissants, permettant de voir toujours plus loin et de distinguer plus de détails. Ensuite, au XIXe siècle, on a compris qu’il y avait aussi une lumière invisible pour les yeux humains : le rayonnement infrarouge. Finalement, au XXe siècle, on a commencé à faire de l’astronomie avec toutes les longueurs d’onde du spectre électromagnétique et réalisé que le ciel pouvait nous envoyer des miettes de nature complètement différente : les rayons cosmiques, les neutrinos et les ondes gravitationnelles.

Chaque fois qu’une nouvelle miette parvient sur Terre, notre compréhension de l’Univers s’enrichit et évolue.

Des êtres microscopiques et éphémères

Le 20 juillet 1969, un homme a marché sur la Lune. Deux écrivains italiens1 confièrent en 2003 que, au-delà de l’admiration pour cet accomplissement de l’espèce humaine, ils avaient ressenti une énorme tristesse. Cette première conquête d’un corps céleste représentait en réalité la fin d’une époque : celle de l’enthousiasme pour les voyages spatiaux, car ce premier voyage nous obligeait à nous confronter à leur difficulté. En effet, nous ne sommes pas allés beaucoup plus loin depuis et, à moins d’une idée géniale, il faudra que se succèdent des générations entières avant qu’un être humain puisse sortir du Système solaire.

Le problème est que l’Univers est immense et que nous sommes des êtres infiniment petits et éphémères. Certes, par l’imagination nous pouvons voyager partout, mais quand il s’agit de se déplacer physiquement (donc de transporter de la matière ou de l’énergie d’un point de l’espace à un autre), les choses deviennent plus compliquées. Dans la meilleure des hypothèses nous pouvons voyager à la vitesse de la lumière, une limite cosmique indépassable, à laquelle s’ajoute un petit détail embarrassant : après une centaine d’années au mieux nous mourons.

La sonde Voyager, l’objet de fabrication humaine le plus lointain de la Terre, après quarante ans de voyage, a atteint « seulement » les confins du Système solaire. Alpha du Centaure, l’étoile la plus proche de nous, se situe à 40 000 milliards de kilomètres de la Terre.

Le kilomètre, unité de mesure parfaite pour les autoroutes terrestres, n’est d’ailleurs pas très adapté pour l’Univers. La distance des étoiles et des galaxies est donc mesurée en « années-lumière », unité de longueur malgré tout un peu trompeuse, car elle s’apparente à une durée : c’est la distance parcourue par la lumière en un an, soit environ 9 000 milliards de kilomètres2.

Si nous savions voyager à une vitesse proche de celle de la lumière, nous atteindrions donc Alpha du Centaure en quatre ans. Pour la même raison, la lumière d’Alpha du Centaure que nous observons a été émise il y a quatre ans. Regarder loin, c’est donc regarder dans le passé.

Ces distances sont encore très petites par rapport à notre galaxie, la Voie lactée, d’un diamètre de cent mille années-lumière, ou par rapport à la distance de l’amas de galaxies de la Vierge, à 60 millions d’années-lumière. Même en utilisant des unités de mesure astronomiques, ces nombres restent… astronomiques.

Ainsi, nous ne pouvons pas être trop arrogants avec les étoiles et les étudier comme les plantes, les particules élémentaires, les organismes microscopiques ou les minéraux. Nous ne pouvons pas accélérer les étoiles ou les casser, les sentir, les toucher, les scruter au microscope. Nous ne pouvons pas répéter encore et encore des expériences en laboratoire, en changeant la température ou la pression. Nous pouvons seulement regarder sans toucher. Regarder de très loin.

Bien que prisonniers de notre planète et de ses environs, nous avons toujours éprouvé un besoin inné de nous interroger. Notre curiosité est sans limite et les enfants sont des maîtres en la matière.

Chaque année, je donne un cours d’astronomie dans une école élémentaire et j’en sors toujours comme on revient d’une longue promenade en montagne : épuisé, mais avec les poumons remplis d’air et les yeux pleins de vastes paysages. Les enfants me font sentir ignorant et indispensable en même temps. Leurs questions testent les fondements de ma motivation de chercheur. Leur enthousiasme est contagieux et rafraîchissant.

Cette envie de poser des questions se perd souvent en grandissant. Les séquences de « pourquoi ? », énoncés avec l’impatience enfantine, s’arrêtent. Un matin nous nous réveillons et tout semble évident, banal. Autour de nous il n’y a plus de choses étranges ou merveilleuses.

Pour enrayer ce processus, j’avais instauré la règle de la « question du jour » : une question à se poser quotidiennement sur n’importe quel sujet, l’important étant la régularité.

« Qu’est-ce qu’une étoile ? », « Quelle est la taille de l’Univers ? », « Est-il fini ou infini ? », « Y a-t-il de la vie dans les autres galaxies ? », « Pourquoi fait-il si chaud dans cette salle de cours ? » « Quand le Soleil mourra-t-il ? », « Qui a inventé les mots ? », « Pourquoi mes cheveux sont-ils frisés ? » Des bras levés et des yeux grands ouverts, des regards concentrés ou rêveurs, et des questions par dizaines – certaines « universelles », d’autres plus personnelles ou pratiques. Les mêmes qui ont sans doute assailli les premiers êtres humains, lesquels, pendant des millénaires, n’avaient que leurs yeux pour chercher des réponses.

Enfin, un homme comprit que l’on pouvait faire mieux : Galileo Galilei.

De Galilée au télescope spatial Hubble

Galilée joue un rôle fondamental dans ce livre pour au moins trois raisons. Tout d’abord, il fut l’un des inventeurs de la science moderne, faite d’expériences (et pas seulement d’observations et de raisonnements), d’analyse quantitative des faits et de modèles mathématiques auxquels il faut comparer ces faits. Une discipline expérimentale, donc, et mathématique, complètement différente des autres modes d’observation et de compréhension du monde tels la philosophie et l’art.

Ensuite, sur la base de ses observations et expériences, Galilée établit la loi d’« universalité de la chute libre des corps », qui sera très importante dans la formulation de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Enfin, il fut le premier à utiliser un instrument optique pour regarder le ciel.

Par une coïncidence curieuse, Galilée est né à Pise, non loin du site du détecteur Virgo. L’homme et la machine, séparés par quatre siècles d’histoire, sont unis par un projet commun et visionnaire : amplifier les possibilités d’observation du ciel avec des instruments de facture humaine.

Au début du XVIIe siècle, même avec des verres mal polis, qui n’ont rien à voir avec ceux que l’on peut acheter aujourd’hui dans un magasin d’astronomie, Galilée découvre les satellites de Jupiter et les reliefs sur la Lune. Les verres agrandissent l’image et recueillent plus de lumière. L’œil, derrière l’instrument, voit mieux et plus loin. C’est un œil plus puissant, capable de voir de nouveaux objets, qui ouvrent de nouvelles questions. Par exemple : pourquoi la Lune n’est-elle pas parfaitement lisse ?

Depuis Galilée, les astronomes ont construit des télescopes toujours plus grands, de meilleure qualité, dans des endroits plus adaptés pour les observations.

La lunette de Galilée avait des verres de seulement cinq centimètres de diamètre, alors qu’à l’observatoire de Haute-Provence, il y a un télescope avec un miroir de deux mètres. C’est avec cet instrument que, en 1985, la première planète extrasolaire – ou exoplanète – orbitant autour d’une étoile comme le Soleil a été observée3. Le télescope japonais Subaru4 (mot qui signifie « Pléiades ») a un miroir de huit mètres de diamètre. Il est construit sur une montagne à plus de quatre mille mètres d’altitude, sur l’île d’Hawaï. Le Very Large Telescope (VLT) est un système de quatre télescopes dans le désert chilien du Cerro Paranal5 : là-haut, l’agitation atmosphérique est moindre, ce qui rend les images plus nettes ; l’air est plus sec, et donc les nuages très rares. De plus, dans ces endroits éloignés des villes, il y a beaucoup moins de pollution lumineuse. Les quatre télescopes peuvent être utilisés individuellement ou bien conjointement, la combinaison de leurs images augmentant alors le pouvoir de résolution du télescope selon la technique de l’« interférométrie ».

Au cours des dernières décennies, la technologie des télescopes a été grandement améliorée pour ce qui concerne la qualité des optiques, des montures mécaniques, des capteurs et de l’électronique de pilotage. Aujourd’hui, des télescopes robotisés travaillent tout seuls. Les deux TAROT6 (Télescopes à Action Rapide pour les Objets Transitoires) de l’observatoire de Haute Provence peuvent être pointés en moins de dix secondes dans la bonne direction sans aucune autre intervention humaine, lorsqu’ils reçoivent une commande envoyée par ordinateur.

Nous avons aussi placé des télescopes dans l’espace. Le plus connu est le HST (Hubble Space Telescope), lancé en 1980, non limité par l’atmosphère, permet de recueillir des images beaucoup plus précises que les télescopes terrestres de même taille, comme l’extraordinaire « Hubble extreme Deep Field » (champ extrêmement profond de Hubble) : la photo de la région la plus lointaine de l’Univers jamais obtenue, montrant des galaxies vieilles de treize milliards d’années7.

Figure 1. Le champ extrêmement profond du télescope spatial Hubble.

Ce sont juste quelques exemples de ce qu’est devenue la lunette de Galilée.

Des raies dans la lumière

Recueillir plus de lumière et agrandir les images n’est pas tout : on peut aussi chercher plus d’informations dans la même lumière, en la regardant avec des « yeux plus attentifs », avec des instruments qui mettent en évidence des propriétés différentes.

En 1815, le physicien allemand Joseph Van Fraunhofer, en observant avec attention la lumière du Soleil qui traverse un prisme, découvre des raies noires très fines. Cinquante ans plus tard, Gustav Kirchoff et Robert Bunsen découvrent de telles raies dans la lumière d’une flamme.

Il s’agit du même phénomène, les « raies d’absorption » : elles correspondent à des longueurs d’onde auxquelles la lumière est absorbée par les atomes des matériaux (de la flamme ou de l’étoile).

Les raies sont un nouveau formidable moyen d’observation, car elles représentent l’empreinte digitale de la composition chimique de l’étoile et peuvent aussi fournir des informations importantes sur sa température, sa distance et sa densité.

De plus, les raies se déplacent un peu de leurs positions « standard » proportionnellement à la vitesse de déplacement relatif entre l’étoile et la Terre. Cette propriété, connue comme l’« effet Doppler », permet de calculer la vitesse de déplacement de l’étoile par rapport à la Terre.

La lumière invisible

La lumière est une « onde électromagnétique », une perturbation des champs électrique et magnétique qui se propage dans l’espace vide ou dans les matériaux. Parmi les caractéristiques les plus importantes des ondes électromagnétiques il y a la longueur d’onde et la fréquence. La longueur d’onde est la distance entre deux maxima consécutifs des champs qui oscillent. La fréquence est l’inverse de la période de l’onde – elle augmente quand la longueur d’onde diminue (nous reviendrons sur ces concepts dans le chapitre 3).

Or, l’œil humain est sensible seulement à certains types d’ondes électromagnétiques, celles dont la longueur d’onde est comprise entre 0,4 et 0,7 micron (un micron est égal à un millionième de mètre). La longueur d’onde définit la couleur de la lumière : 0,4 micron pour le violet et 0,7 micron pour le rouge.

Il existe donc une lumière invisible à l’œil, qui correspond aux longueurs d’onde inférieures au violet et supérieures au rouge.

Aux grandes longueurs d’onde (donc aux fréquences plus petites), on trouve le rayonnement infrarouge, celui émis naturellement par les objets à température ambiante à cause de leur agitation thermique. Par exemple, un être humain est une source de radiation infrarouge avec une longueur d’onde de dix microns. Aux longueurs d’onde encore plus grandes, il y a les ondes radio. En revanche, vers les longueurs d’onde inférieures au violet (donc aux fréquences plus grandes), il y a les ultraviolets, ces radiations émises par le Soleil et qui provoquent le bronzage. À des fréquences encore plus élevées il y a les rayons X et les rayons gamma.

Aujourd’hui, nous pouvons capter les ondes radio émises par une galaxie ou par une autre source astronomique, le transformer dans un premier temps en signal électrique avec une antenne, puis en une image avec des « fausses couleurs », représentant les différentes intensités des ondes radio. Ce ciel « radio » nous offre une vision différente du ciel obtenu avec la lumière visible. Nous pouvons faire la même chose avec les autres longueurs d’onde, en produisant donc un ciel infrarouge, un ciel X et un ciel gamma.

Une miette fossile

La détection du « fond diffus cosmologique » est un exemple de la manière dont une « lumière invisible » a révolutionné notre regard sur l’Univers.

En 1964, en observant le ciel avec une grosse antenne radio, les astronomes américains Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson, des laboratoires Bell, découvrent par hasard que l’espace est rempli d’un rayonnement très ancien, généré 380 000 ans après le big bang. Un rayonnement fossile resté intact pendant presque quatorze milliards d’années et qui continue à nous donner des informations cruciales sur l’état de l’Univers à cette époque lointaine.

Quelle que soit la direction où notre regard se porte, chaque centimètre cube d’Univers contient de ces photons fossiles, complètement invisibles pour les télescopes optiques, mais visibles par des radiotélescopes. Ce fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background en anglais) est la preuve que, il y a environ quatorze milliards d’années, l’Univers se trouvait dans un état très dense et chaud.

Sans ces instruments, capables aujourd’hui de détecter des ondes électromagnétiques à des fréquences différentes de celle de la lumière visible, nous ne pourrions pas voir ce souvenir du big bang.

Les autres messagers du Cosmos

Super-Kamiokande est une énorme piscine de quarante mètres de haut et quarante mètres de diamètre, au cœur de la mine de Kamioka, dans le centre du Japon.

C’est un détecteur de neutrinos, des particules élémentaires extrêmement fuyantes produites dans les réactions nucléaires8. Les parois du bassin sont tapissées de détecteurs de lumière. Quand un neutrino traverse la piscine, l’interaction avec les molécules d’eau peut produire un éclat de lumière, enregistré par les détecteurs. La raison des dimensions pharaoniques du bassin est que seule une fraction incroyablement faible des neutrinos produit de la lumière. Il faut donc que la particule croise un très grand nombre de molécules d’eau.

Le 23 février 1987, le détecteur, qui à l’époque est plus petit et s’appelle encore Kamiokande, détecte douze neutrinos. Personne ne le sait encore, mais les particules ont été émises lors de l’explosion d’une étoile dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie proche de la Voie lactée.

Trois heures plus tard, cette lumière arrive sur Terre : c’est la « supernova 1987a ». Le retard de la lumière sur les neutrinos est dû au fait qu’elle a été émise après ces derniers, générés tout de suite, pendant l’effondrement de l’astre. Les neutrinos n’interagissent presque pas avec la matière qu’ils rencontrent, une propriété commune avec les ondes gravitationnelles, et arrivent jusqu’à nous inaltérés.

La détection des neutrinos de la supernova 1987a, qui a donné des éléments nouveaux et précieux sur les modèles d’explosion d’étoiles, est un des premiers exemples d’astronomie sans les ondes électromagnétiques. Hélas, aucune onde gravitationnelle ne fut détectée le 23 février 1987.

Nous savons que la lumière a une double nature : onde et particule. Phénomène ondulatoire et éléments arrivant par paquets que l’on peut compter, les photons. L’astronomie qui n’utilise pas les ondes électromagnétiques est donc aussi qualifiée de « non photonique » – sans photons.

Il existe d’autres messagers « non photoniques » : ce sont les rayons cosmiques, constitués de particules beaucoup plus lourdes que les neutrinos, comme des protons ou des noyaux d’hélium, accélérées selon des mécanismes encore mal connus jusqu’à des énergies beaucoup plus grandes que celles obtenues au LHC (Large Hadron Collider, ou « Grand collisionneur de hadrons »), l’accélérateur de particules le plus puissant du monde.

Enfin, il y a les ondes gravitationnelles, ces vibrations de l’espace-temps prédites par Einstein dans le cadre de sa théorie de la relativité générale.

Notes et références

Prologue

1. www.ligo.org

2. La vidéo de la conférence de presse sur la première détection des ondes gravitationnelles est à l’adresse suivante :

https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v11

3. http://www.virgo-gw.eu

4. Le chiffre cité correspond à la distance moyenne à laquelle Virgo pouvait détecter des coalescences d’étoiles à neutrons au moment de l’écriture du prologue. Aujourd’hui, cette distance a largement augmenté.

5. Einstein introduit pour la première fois les ondes gravitationnelles dans un article de 1916 [Sitzungsber. K. Preuss. Akad. Wiss. 1, 688 (1916), « Naeherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation » (« L’Intégration approximative des équations de champ de la gravitation »)]. https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-doc/376. Dans cet article, en discutant la puissance émise en ondes gravitationnelles, il écrit que « dans tous les cas imaginables, [elle] doit avoir une valeur pratiquement nulle ».

6. Tout instrument est soumis à un ensemble de perturbations externes ou internes qui limitent sa sensibilité, donc sa capacité à détecter un signal. Il s’agit par exemple du bruit sismique, électronique ou acoustique. La réduction des « bruits » d’un détecteur d’ondes gravitationnelles permet d’augmenter la distance à laquelle nous pouvons détecter un signal, ou la « clarté » du signal (ce que nous appelons le « rapport signal sur bruit »).

7. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2017/summary/

Chapitre 1. Des miettes cosmiques

1. Les deux écrivains italiens sont Carlo Fruttero et Franco Lucentini. Le propos est tiré de I ferri del mestiere, Einaudi, 2003.

2. La valeur exacte de l’année-lumière est de 9 460 730 472 580,8 kilomètres.

3. Michel Mayor et Didier Queloz, « A Jupiter-mass companion to a solar-type star », Nature, Vol. 378, N° 6555,1995.

4. https://subarutelescope.org

5. https://www.eso.org/public/teles-instr/paranal-observatory/vlt/

6. http://tarot.obs-hp.fr/

7. https://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/hubble_UDF.html

8. Voir par exemple : À la recherche des neutrinos, Kouchner A. et Lavignac S., Dunod, 2018.