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Les ondes gravitationnelles

A toute interaction, sa particule

La physique tente depuis de nombreuses années une réunification des différentes théories qui permettent d’expliquer le monde qui nous entoure. La découverte expérimentale du graviton et de l’onde gravitationnelle est un pas de plus dans cette direction.

Il existe quatre interactions fondamentales en physiques : elles sont dites fortes, faibles, électromagnétique et gravitationnelle.  La première rend compte de la cohésion des noyaux atomiques : l’interaction forte est ainsi d’une intensité extrême, mais sa portée est en revanche très faible. La deuxième est l’interaction faible, qui permet notamment d’expliquer la radioactivité : sa portée et son intensité sont très réduites.  La troisième et la quatrième sont de très loin les plus connues, puisqu’elles sont perceptibles dans la vie de tous les jours, qu’il s’agisse de lumière, de radiocommunications, de pesanteur ou du mouvement des planètes. L’intensité de l’interaction électromagnétique est assez élevée et sa portée est infinie ; l’interaction gravitationnelle est, de loin, la plus faible de toutes (près de 10-35 moins forte que l’interaction électromagnétique), bien qu’elle soit elle aussi de portée infinie.  

A chacune de ces interactions fondamentales est associée une particule qui décrit l’énergie transportée par l’interaction qu’elle représente. Ces interactions associées aux différentes particules matérielles (protons, neutrons et électrons) structurent la matière à l’échelle macroscopique. Ces interactions sont d’autant plus importantes qu’à l’échelle atomique, la matière est constituée essentiellement de vide : si le doigt que l’on pose sur une table ne la traverse pas, c’est ainsi en partie dû aussi à l’effet de ces interactions fondamentales.

 

La relativité et la notion de courbure d’espace-temps

C’est la théorie de la relativité générale qui a mis en évidence la possibilité théorique qu’une particule transporte l’énergie associée à la force gravitationnelle.

La relativité restreinte, théorie publiée par Einstein en 1905, montrait que la longueur et la durée dépendent du référentiel de l’observateur. Le temps se trouve dilaté et la longueur contractée dans un système en mouvement par rapport à celui de l’observateur. 

La théorie de la relativité générale va plus loin en postulant que la masse « courbe » l’espace-temps. L’une des images communément employées pour illustrer cette notion est celle d’une toile élastique, quadrillée et tendue. Si une masse y est posée, la déformation de la toile sera d’autant plus marquée que la masse sera lourde ; et plus la courbure de la toile sera forte, plus le temps et les longueurs seront affectés. Un exemple figure dans un récent film d’anticipation américain, où l’un des deux vaisseaux gravitant à proximité d’un trou noir s’en rapproche. Lorsqu’il s’en écarte, ses occupants sont beaucoup plus jeunes que ceux de l’autre vaisseau, resté à distance. 

La théorie de la relativité, restreinte et générale, a été vérifiée expérimentalement en 1971 (publié en 1972 dans Science) par Hafele et Keating à l’aide de trois horloges atomiques synchronisées et de deux avions commerciaux.  Deux horloges atomiques furent embarquées dans deux avions voyageant autour du monde l’un vers l’Est, l’autre vers l’Ouest, la troisième horloge restant au sol. Selon la théorie de la relativité restreinte, le temps devait être légèrement dilaté pour l’avion se dirigeant vers l’Est (la Terre tournant d’Est en Ouest) et au contraire contracté pour l’avion se dirigeant vers l’Ouest. De plus, les avions volant à une certaine altitude subissent un champ de gravité plus faible que l’horloge restée au sol : leur temps doit donc être accéléré par rapport à celui de l’horloge terrestre avec des décalages de l’ordre de la centaine de nanosecondes. La théorie a été vérifiée avec une précision assez bonne, permettant de conclure à la pertinence des deux théories de la relativité. 

Ces effets de la relativité sont aujourd’hui régulièrement pris en compte dans les systèmes de radionavigation par satellite (GPS ou Galileo, par exemple) en corrigeant le temps des horloges atomiques à bord des satellites.

 

Les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles, associées à une particule appelée graviton, propagent des transitions énergétiques de l’espace-temps. Ces nouvelles ondes dilatent ou contractent l’espace-temps. Si l’on détecte les ondes électromagnétiques grâce à des antennes qui amplifient des mouvements d’électrons, les ondes gravitationnelles, quant à elles, ne peuvent être perçues que grâce à des dispositifs qui font apparaître des variations de longueur. Mais elles sont difficilement mesurables car leur intensité est très faible. On estime en effet que l’ordre de grandeur de déformation de la longueur d’un objet lorsqu’il est traversé par ces ondes est de l’ordre de 0,0000000000001 mm, soit 10-16 m ! Il a donc fallu, pour détecter ces nouvelles ondes, d’une part mettre au point des récepteurs extrêmement sensibles, fondés sur des lasers mesurant des distances ultra-précises dans des tunnels de plusieurs kilomètres, et d’autre part se concentrer sur des émetteurs ultra-puissants, découlant de phénomènes extrêmes affectant l’espace-temps, comme la fusion de deux étoiles.

L’existence des ondes gravitationnelles est désormais prouvée et elles peuvent être détectées, ouvrant ainsi une nouvelle ère pour l’observation astronomique. Ce succès a été récompensé en France par l’attribution de la Médaille d’Or 2017 du CNRS aux physiciens Alain Brillet et Thibault Damour, et par le prix Nobel 2017, attribué aux physiciens Raider Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne.

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