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Cosmologie. Incertitude concernant les ondes dites gravitationnelles

On appelle onde gravitationnelle une hypothétique oscillation de la courbure de l'espace-temps qui se propagerait à grande vitesse et grande distance à partir de son point de formation. Elle serait due à la rencontre dans cet espace-temps de masses dotées d'un mouvement propre accéléré, c'est-à-dire dotées d'une vitesse croissante.

Rappel

L'espace-temps selon la théorie de la relativité générale d'Einstein est l'espace dans lequel nous nous trouvons. Mais il ne s'agit pas d'un espace immobile telle celui que l'on trouve dans une boite à chaussures. Il peut être déformé lorsque s'y rencontrent des mobiles, par exemple des astres, à l'occasion d'une toujours possible collision.

Ainsi si nous secouons une boite à chaussure, la rencontre entre les deux chaussures s'y trouvant provoque nécessairement une déformation passagère de la boite. Cette déformation se propage dans la boite et dans tout ce qui s'y trouve en un temps très rapide, avant que l'ensemble ne retourne au calme. Si l'on disposait d'un détecteur très sensible, il serait possible voir la déformation naître et se propager le long de la boite.

Les physiciens ont longtemps nié l'existence de telles ondes ou leur caractère observable. Plus récemment cependant, ils ont mis au point des détecteurs ultra-sensibles capables en principe d'observer le passage d'une onde gravitationnelle. Celui actuellement le plus fiable est dit Ligo, en opération depuis une dizaine d'années.

Ce nom, pour Laser interferometer Gravitational-Wave Observatory en anglais, désigne un interféromètre géant constitué de deux observatoires très sensibles existant aux États-Unis, à Livingston (Louisiane) et là Hanford (Washington). Ces deux machines sont complétées d'une troisième, se trouvant à grande distance, en Italie, près de Pise et nommé Virgo.

Les interféromètres sont largement utilisés dans la science et dans l'industrie  pour mesurer les petits déplacements, les changements d'indice de réfraction de la lumière et les irrégularités de surface. Dans un interféromètre, la lumière provenant d'une source unique est divisée en deux faisceaux qui parcourent différents trajets optiques, puis sont combinés de nouveau pour produire une interférence.

Celle-ci se traduit par des déformations observables dites franges d'interférence. Plus les interféromètres sont éloignés, plus ils sont sensibles. C'est pourquoi Ligo et Virgo sont construits de chaque côté de l'Atlantique. Si une déformation de l'espace-temps se produisait, elle serait très faible et très rapide. Il fallait donc construire un observatoire dédié pour l'observer. En effet, comme toujours en physique, il faut distinguer les phénomènes provenant de bruits divers, tels que la vibration de l'observatoire, et ceux résultant du phénomène recherché, c'est-à-dire la déformation résultant du passage d'une onde gravitationnelle.

Détection supposée du passage d'ondes gravitationnelles

Ces détecteurs, dès leur entrée en service, ont paru détecter le passage sur la Terre d'ondes gravitationnelles. Cela a été considéré comme une avancée considérable de la cosmologie. Rappelons qu'avant cela la « collaboration » américaine dite BICEP2, à partir d'un observatoire situé au pôle sud, avait cru observer des ondes reliques du Big Bang initial et plus précisément de l'inflation très rapide en ayant résulté. (Voir La Recherche, mai 2014, p.12). Cette observation, qui avait fait grand bruit, a été depuis attribuée à une erreur.

C'est le même sort qui semble aujourd'hui menacer les observations d'ondes gravitationnelles annoncées en septembre 2015 par la collaboration Ligo et Virgo. Cinq autres ondes avaient été ensuite détectées. Elles avaient attribuées à deux trous noirs étant entrés en collision, ce qui avait paru beaucoup plus vraisemblable que l'existence d'ondes provenant du Big Bang.

Les ondes gravitationnelles résultant de tels collisions sont supposées avoir voyagé à travers l'espace-temps pendant des milliards d'années. En atteignant la Terre, elles sont extrêmement faibles. Elles ont donc toutes les chances d'être confondues avec des bruits insignifiants tels que les vibrations thermiques des détecteurs. D'où la nécessité d'avoir plusieurs détecteurs distants. S'ils observent simultanément un phénomène de la même ampleur, celui-ci peut en principe être attribué au passage d'une onde.

Cependant, après une analyse plus approfondie des perturbations observées, une équipe de chercheurs danois pense devoir les attribuer à un bruit proche, d'origine terrestre, et non à un phénomène cosmologique. Les chercheurs de la collaboration Ligo, alertés, ont revu leurs travaux. Certains sont d'accord désormais sur l'hypothèse du bruit. D'autres s'en tiennent à leur hypothèse de l'onde gravitationnelle. Pour trancher entre les deux, des calculs extrêmement complexes s'imposent, que nous n'évoquerons pas ici mais que l'article du NewScientist cité en référence résument.

Pour le moment, le doute demeure. La prudence exige donc que, face à la supposée observation d'une onde gravitationnelle, dont l'importance scientifique serait considérables, de nouvelles observations et de nouveaux calculs soient conduits. C'est ce qui sera certainement fait dans l'avenir.

Indiquons que pour divers physiciens aujourd'hui, l'hypothèse d'un espace-temps einsténien dans lequel nous vivrions doit être remise en cause. La non-observation d'ondes gravitationnelles irait dans le sens de ces propositions non-orthodoxes. Ajoutons que le concept de trou noir est parfois contesté. 

Image wikipedia: Le signal reçu par le LIGO à Hanford (à gauche) et à Livingston (à droite) le 14 septembre 2015 comparé à celui prédit pour la fusion de deux trous noirs (en bas).

Références

https://www.newscientist.com/article/mg24032022-600-exclusive-grave-doubts-over-ligos-discovery-of-gravitational-waves/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_gravitationnelle

Note au 03/11
Selon le Newscientist la collaboration LIGO préparerait prochainement un dossier justifiant ses résultats de recherche. Affaire à suivre.
https://www.newscientist.com/article/2184360-ligo-to-publish-new-paper-in-wake-of-new-scientist-investigation/

01/11/2018
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