Onde gravitationnelle

Qu'est-ce que les ondes gravitationnelles ?

Pour comprendre les ondes gravitationnelles, il faut entrevoir la structure de l’espace-temps définie par Albert Einstein dans sa théorie de la théorie générale de la relativité (1916). Einstein a lié les 3 dimensions de l'espace et la dimension unique du temps, dans un même tissu d'espace-temps. Ce tissu quadridimensionnel "ressemble" à la surface d'un trampoline distendue par la masse des planètes, des étoiles et des galaxies. Cette déformation, compression ou courbure de l'espace-temps représente dans les trois dimensions ce que l'on ressent comme la gravité. En d'autres termes, une planète comme la Terre est en orbite parce qu'elle suit simplement les courbes du tissu spatial bosselé et déformé par la présence du Soleil et des autres planètes du système solaire.
Ainsi les ondes gravitationnelles (OG) sont des déformations de la structure de l'espace-temps qui se propagent comme des vagues, à la vitesse de la lumière. Elles traduisent la dynamique de l’espace-temps sous l'effet des mouvements rapides de la matière ordinaire alors que les ondes électromagnétiques (photons) sont produites par les mouvements des charges électriques.
En résumé, les ondes gravitationnelles ou ondes de courbure sont produites par l’accélération des masses. Seuls les objets les plus relativistes de l’Univers, ceux qui sont extrêmement massifs comme les trous noirs ou les étoiles à neutrons, peuvent "secouer" légèrement l'espace-temps s'ils sont accélérés. Par exemple, 2 trous noirs ou 2 étoiles à neutrons de l'ordre de quelques masses solaires qui tournent l'un autour de l'autre, engendrent des ondes de gravitation.
Mais contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles interagissent très peu avec la matière, elles parcourent le cosmos sans être absorbées, ce qui les rend invisibles dans les images électromagnétiques de nos télescopes.

De plus la variation à détecter (distance entre les pics et les creux) est extrêmement faible, la fréquence à détecter est une très basse fréquence. Si l'on veut mesurer sur 10 000 km (rayon de la vague), la variation de l'onde gravitationnelle engendrée par un trou noir situé dans notre galaxie, les détecteurs doivent être capable d'observer une variation de l'onde de la taille d'un atome, c'est-à-dire 10^-10 mètre. De plus ces variations sont extrêmement rares dans notre Galaxie, il faut améliorer sensiblement nos détecteurs actuels et aller chercher ces variations dans d'autres galaxies.
Bien que non détectées, les scientifiques savent qu'elles existent dans l'Univers. En 1975, les radioastronomes Russell Alan Hulse et Joseph Hooton Taylor (prix Nobel de physique de 1993) ont découvert PSR B1913+16 dans la constellation de l'Aigle, un pulsar binaire (2 étoiles à neutrons) aux caractéristiques orbitales exceptionnelles. En effet les deux étoiles orbitent l'une autour de l'autre en 7.75 heures dans un volume extrêmement petit, de l'ordre de 1.1 (au périastre) à 4.8 fois (à l'apoastre) le rayon du Soleil. L'infime accélération de la période orbitale de ce système massif (les 2 objets tournent de plus en plus vite) et le raccourcissement du rayon de l'orbite (perte de 3 mm par orbite) a permis de démontrer l'existence des ondes gravitationnelles. D'après la théorie de la relativité générale l'orbite d'un système binaire est lentement modifiée par l'émission d'ondes gravitationnelles. Sur une période de trente ans Taylor et ses collègues ont fait des mesures qui correspondent exactement à la théorie. Depuis plusieurs autres pulsars binaires ont confirmés les résultats de Taylor. Les mesures ne permettent pas de détecter l'énergie des ondes gravitationnelles mais sont une preuve indirecte des effets des ondes gravitationnelles émises par un système.

Vidéo : représentation des ondes gravitationnelles ou ondes de courbure engendrées par deux trous noirs ou deux pulsars (étoiles à neutrons). Un pulsar est une étoile à neutrons, extrêmement dense, de la densité d'un noyau atomique, d'où son nom. Son champ magnétique gigantesque tourne autour de l'axe de rotation à la fréquence de rotation de l'étoile, certaines tournent en une milliseconde, ce faisceau magnétique éjecte des particules qui génèrent des ondes radio. Ce sont des gyrophares cosmiques. Lorsque deux trous noirs ou deux étoiles à neutrons tournent l'un autour de l'autre, les objets déforment l'espace-temps et cette déformation provoque de petites vagues gravitationnelles comme sur la vidéo.

Détection supposée d'une onde gravitationnelle

Un télescope du pôle Sud appelé BICEP-2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) a permis aux scientifiques d'analyser la polarisation de la lumière émise par l'univers primitif. Cette détection confirme la relativité générale d’Einstein qui a prédit l’existence d’ondes gravitationnelles, comme étant un frisson de l’espace-temps engendré par un déplacement important de masses.
Comment les ondes gravitationnelles peuvent être détectées alors qu'elles n'interagissent pas avec la matière ?
Le télescope a détecté une propriété subtile du fond diffus cosmologique découvert en 1964, le fameux rayonnement primitif du Big Bang âgé de 13,8 milliards d'années. BICEP a mesuré la polarisation à grande échelle de ce rayonnement de micro-ondes. Seules les ondes gravitationnelles primordiales peuvent imprimer un tel modèle, seulement si elles ont été amplifiées par l'inflation.
Qu'est-ce que l'inflation ?
La répartition de la matière dans l'espace est trop uniforme pour être dû au seul Big Bang. Dans les années 1970, les cosmologistes ont imaginé un élargissement brusque de l'univers, ils l'ont appelé l'inflation. Cette inflation a eu lieu dès la première seconde après le Big Bang. Seule l'inflation peut amplifier suffisamment le signal gravitationnel primordial d'onde pour le rendre détectable. Les scientifiques avec BICEP-2 cherchaient spécifiquement à mesurer la polarisation du fond diffus cosmologique, c'est-à-dire l'orientation du champ électrique dans le ciel.

Ils étaient à la recherche d'un type spécifique de polarisation appelé B-modes, un modèle de tourbillon dans les orientations polarisées de lumière de l'univers antique.
En théorie, ce modèle de tourbillonnement de polarisation (image ci-contre) ne peut être créé qu'à partir d'ondes gravitationnelles. C'est ce que BICEP-2 a trouvé. « C'est une signature très propre de ces ondes de gravité », a déclaré le physicien de Stanford, Kent Irwin.
« Mais en raison de l'importance de ces résultats, ils doivent être considérés avec scepticisme... il existe, en l'état, des bizarreries dans les résultats qui pourraient être inquiétants... je suis impatient de voir ces résultats confirmés ou infirmés par d'autres expériences », a déclaré David Spergel, professeur d'astrophysique à l'Université de Princeton.
En effet, la mesure est si difficile à faire, qu'elle pourrait facilement être contaminée.
La collaboration d'autres télescopes spatiaux comme Planck, devraient publier prochainement des résultats sur la polarisation de fond diffus cosmologique. D'autres expériences travaillent sur des objectifs similaires, qui pourraient soutenir ou aller à l'encontre BICEP-2. Le 5 Juin 2014, au congrès de l'American Astronomical Society, David Spergel a annoncé que la polarisation B-mode détectée par BICEP2 pourrait plutôt être le résultat de diffusion de la lumière dans la poussière entre les étoiles de la Voie Lactée.
Si les ondes gravitationnelles primordiales sont espérées avec autant d'impatience, c'est qu'elles peuvent confirmer que l'inflation a eu lieu.

Image : Ondes gravitationnelles de l'inflation cosmique, interprétées dans cette image du rayonnement du fond diffus cosmologique collectée par un télescope de l'expérience BICEP-2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) au pôle Sud. Les scientifiques estiment que la polarisation ou vague d'orientation de la lumière, est une preuve sous la forme d'une signature appelée B-mode de polarisation ou modèle de tourbillonnement de polarisation. Cette vague est représentée sur l'image par les petits traits noirs orientés par le tourbillon. La couleur indique de petites fluctuations de température dans le fond diffus cosmologique qui correspondent aux fluctuations de densité dans l'univers primordial.