Toute la communauté des physiciens est en émoi depuis jeudi dernier, alors que des chercheurs de l'observatoire américain LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ont annoncé avoir enregistré, pour la première fois, le passage d'ondes gravitationnelles.

Cette première constitue un tournant majeur en astrophysique et ouvre la porte à une nouvelle façon d'étudier l'Univers qui bouleversera sans doute la compréhension que nous en avons. Julie Hlavacek-Larrondo, professeure au Département de physique de l'Université de Montréal et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en astrophysique observationnelle des trous noirs, nous explique comment cette découverte a été réalisée, 100 ans après la prédiction d'Albert Einstein, et quelles en sont les retombées.

Pouvez-vous nous expliquer ce qu'est une onde gravitationnelle?

J.H.-L. : Une onde gravitationnelle est une perturbation extrêmement faible de l'espace engendrée par des objets hautement énergétiques comme des pulsars, des supernovas ou des trous noirs. Lorsque ces objets bougent ou accélèrent, ils provoquent une onde semblable à celle qui est créée lorsqu'on jette un caillou dans l'eau. Pour comprendre qu'un astre peut faire onduler l'espace, il faut visualiser l'espace comme un tissu élastique qui s'étire ou se contracte selon le mouvement d'un objet qui serait déposé à sa surface.

Tout astre et même tout corps, y compris vous et moi, qui accélère son mouvement produit une onde gravitationnelle. Mais il faut des phénomènes très violents pour qu'une telle onde puisse être observée. Dans le cas de la découverte du LIGO, la perturbation enregistrée était de l'ordre de un millième de la taille d'un proton, soit 10^-18 mètre, et provenait de la fusion de deux trous noirs survenue il y a 1,3 milliard d'années. Il faut donc des instruments d'une infinie précision pour arriver à un tel résultat.

Quand on parle de trous noirs, de quoi s'agit-il?

J.H.-L. : Les trous noirs sont des objets si denses et si massifs que leur gravité empêche tout rayonnement électromagnétique, que ce soit la lumière visible, les rayons X ou autres, de s'en échapper. Nous en connaissons trois types classés selon leur masse, qui peut aller de trois fois la masse du Soleil jusqu'à 10 milliards de fois cette masse. Les plus massifs sont ceux qui se trouvent au centre des galaxies.

Comment sait-on que l'onde gravitationnelle observée au LIGO provient de la fusion de deux trous noirs?

J.H.-L. : C'est là toute la beauté de cette découverte! Einstein avait prédit, il y a 100 ans, l'existence des ondes gravitationnelles et ses équations sont si précises qu'elles permettent de déterminer quel type d'évènement entraîne tel type d'onde. Deux pulsars qui tournent l'un autour de l'autre, l'effondrement d'une supernova ou la fusion de deux trous noirs émettront un signal différent. Ce qui a été observé et qui dure moins de une seconde correspond exactement à la signature de la fusion de deux trous noirs. Le modèle permet même d'établir les masses des deux objets, qui étaient respectivement de 29 et de 36 fois la masse du Soleil.

Après la fusion, la masse était de 62 fois celle du Soleil. La différence provient de la transformation, lors de la collision, d'une partie de la masse en énergie, ce qui a produit les ondes en question. Cette observation constitue l'ultime démonstration de la théorie de la relativité générale énoncée par Einstein. Tous les éléments de cette théorie ont été confirmés, ce qui signifie qu'elle est sans faille jusqu'à maintenant.

Les ondes gravitationnelles sont donc partout dans l'Univers et nous traversent continuellement. Comment est-on parvenu à les observer?

J.H.-L. : Il a fallu 100 ans pour concevoir les outils nécessaires, même si l'instrument de base est l'interféromètre, qui existait au temps d'Einstein. L'interféromètre émet un rayon laser qui est réfléchi vers lui-même au bout d'un tunnel de quatre kilomètres et qui circule donc dans deux directions. Lorsqu'une onde gravitationnelle passe, elle perturbe les faisceaux lumineux et l'addition des deux rayonnements permet d'obtenir, grâce aux perturbations produites, la signature de l'onde. Le LIGO est constitué de deux tunnels perpendiculaires permettant de mesurer la déformation de l'espace dans deux directions.

Mais Einstein pensait qu'une telle démonstration resterait impossible à faire parce que la technologie d'alors n'était pas assez avancée et qu'on n'avait encore jamais observé, même indirectement, des trous noirs. Ce n'est qu'en septembre dernier que le LIGO a été suffisamment perfectionné pour enregistrer les premières ondes gravitationnelles.

Cette découverte est présentée comme une véritable révolution en physique. Qu'en est-il exactement?

J.H.-L. : Nous avons maintenant un nouveau type d'appareil pour scruter l'Univers. Les chercheurs du LIGO comparent ce moment à celui où Galilée a tourné sa lunette vers les planètes pour découvrir un monde nouveau. On peut parler du début d'une nouvelle astronomie, l'astronomie gravitationnelle.

Par l'étude d'objets hyper énergétiques tels les trous noirs qu'on ne peut pas voir, l'observation des ondes gravitationnelles nous révélera une foule d'informations impossibles à obtenir autrement. À chaque nouvelle ère en astronomie, les principales découvertes ont montré des phénomènes ou des objets auxquels on ne s'attendait pas. Je n'ai aucun doute que nous allons détecter des signaux qui vont bouleverser notre compréhension de l'Univers.

Peut-on même penser à des applications concrètes en dehors de l'astronomie?

J.H.-L. : Il s'agit d'une immense découverte non seulement pour l'astronomie, mais pour l'ensemble de la physique et de toutes les sciences. Quand Einstein a formulé sa théorie de la relativité, on ne pensait pas pouvoir en tirer une application pratique. Mais les GPS, pour fonctionner adéquatement, doivent tenir compte de la déformation des ondes produite par la gravité de la Terre, ce que prédisait cette théorie.

Peut-être pourrons-nous un jour créer des minitrous noirs comme source d'énergie. Pour cela, il faut en comprendre les propriétés et les ondes gravitationnelles vont nous permettre d'en faire l'étude. Je suis très optimiste quant à l'élaboration d'une telle technologie.

Propos recueillis par Daniel Baril