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Dès leur entrée en service, les détecteurs Ligo et Virgo, ont paru détecter le passage sur la Terre d'ondes gravitationnelles. Mais après analyses plus approfondies des perturbations observées, des chercheurs danois pensent avoir affaire à de simples bruits proches d'origine terrestre, et non à des ondes gravitationnelles. Pour le moment, le doute demeure...

Ondes 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 Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), en opération depuis une dizaine d'années.

Détecteurs Ligo

Cet interféromètre géant est constitué de deux observatoires très sensibles existant aux États-Unis, à Livingston (Louisiane) et à 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(1).

Détection d'ondes gravitationnelles
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).
L’événement GW150914 observé par les détecteurs LIGO de Hanford (H1, à gauche) et Livingston (L1, à droite) [voir article].
Ces deux images montrent comment le signal d’ondes gravitationnelles a évolué en fonction du temps (axes horizontaux gradués en seconde) et de la fréquence (en hertz, ou nombre de cycles de l’onde par  seconde).  Ils montrent  que  la  fréquence  du  signal  augmente  rapidement,  de  35  Hz  à  environ  150  Hz  en  à  peine  deux dixièmes  de  seconde.  GW150914  est  arrivé d’abord  à  L1  puis  environ  sept  millièmes  de  seconde  plus  tard  à  H1, une  durée  compatible  avec  le  temps  mis  par  la  lumière,  ou  une  onde gravitationnelle, pour aller d’un détecteur à l’autre


C'est le même sort qui semble aujourd'hui menacer les observations d'ondes gravitationnelles annoncées en septembre 2015 (travaux publiés en 2016)(2) 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 telles 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.


... détection remise en cause par des scientifiques danois

Cependant, après une analyse plus approfondie des perturbations observées, une équipe de chercheurs danois basés à l’Institut Niels Bohr de Copenhague pense devoir attribuer ces perturbations à un bruit proche, d'origine terrestre, et non à un phénomène cosmologique [voir "Sources" ci-dessous]. 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 désormais.

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 considérable, soient conduits de nouvelles observations et de nouveaux calculs. C'est ce qui sera certainement fait dans l'avenir.
Notons que, selon le NewScientist, la collaboration LIGO préparerait prochainement un dossier justifiant ses résultats de recherche. Affaire à suivre donc.

Indiquons par ailleurs que, pour divers physiciens aujourd'hui, l'hypothèse d'un espace-temps einsteinien 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 aussi parfois contesté.
 
Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin



 
puce note Notes
(1) 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.
(2) Même si les chercheurs avaient pensé avoir détecté des ondes gravitationnelles à peine quarante-huit heures après la mise en service de Ligo, la
grande nouvelle de cette première observation n'a été révélée que le 11 février 2016 (il a fallu quelques mois avant que les chercheurs aient suffisamment confiance dans le signal pour annoncer leur découverte). Ainsi, lors de la conférence de presse de 2016,  des membres seniors de la collaboration ont annoncé que leurs détecteurs avaient capté la signature des ondes gravitationnelles émises sous la forme d'une paire de trous noirs distants entrelacés.
puce note Sources
"Grave doubts over LIGO’s discovery of gravitational waves",
NewScientist , 31 octobre 2018.
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