Samedi-sciences (200) : comment les physiciens ont capturé les ondes gravitationnelles

L’équipe du Ligo, observatoire constitué de deux détecteurs géants identiques installé aux États-Unis, vient d’annoncer la détection d’ondes gravitationnelles. Ce résultat majeur, l’une des plus grandes découvertes en physique depuis un siècle, ouvre une nouvelle ère en astronomie et astrophysique.

Salle de contrôle du Ligo à Hanford, État de Washington © LIGO Salle de contrôle du Ligo à Hanford, État de Washington © LIGO

L’équipe du Ligo, observatoire constitué de deux détecteurs géants identiques installé aux États-Unis, vient d’annoncer la détection d’ondes gravitationnelles (lire notre article). Ce résultat majeur, l’une des plus grandes découvertes en physique depuis un siècle, apporte une nouvelle confirmation de la théorie de la relativité générale d’Einstein, et ouvre une nouvelle ère en astronomie et astrophysique. Les observations astronomiques reposaient jusqu’ici sur la détection des ondes électromagnétiques – lumière visible, infrarouge, rayons X ou ultraviolets. Désormais, il sera possible d’observer des objets qui n’émettent pas ou très peu de rayonnement électromagnétique, comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs, en détectant leurs ondes gravitationnelles.

Mediapart consacrera un prochain article à la nouvelle page de la physique et de l’astronomie qui s’est ouverte le 11 février 2016 avec la prouesse accomplie au Ligo par un millier de chercheurs de quinze pays. Mais avant d’exposer les enjeux et les conséquences de la nouvelle découverte, profitons de ce numéro 200 de Samedi-sciences pour retracer les péripéties de la longue traque menée pendant un demi-siècle par les physiciens pour détecter ces ondes gravitationnelles qui semblaient presque insaisissables.

Einstein lui-même, bien qu’il ait prédit l’existence de ces fameuses ondes en 1916, pensait que les scientifiques ne pourraient jamais les détecter. D’après la théorie, les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière en déformant l’espace sur leur passage (en fait, elles déforment l’espace-temps, mais les physiciens se sont concentrés sur l’aspect spatial du phénomène). Dès les années 1960, Joseph Weber, physicien à l’université du Maryland, a entrepris de détecter la déformation de l’espace à l’aide d’un appareil de sa construction constitué principalement de grands cylindres d’aluminium ultra-pur, de 2 mètres de long sur 1 mètre de diamètre (la revue Science  lui rend un hommage à lire ici).

Joseph Weber avec un de ses détecteurs © University of Maryland Joseph Weber avec un de ses détecteurs © University of Maryland

Weber pensait que l’étirement de l’espace feraient vibrer les cylindres comme des diapasons géants. Comme il avait calculé que l’amplitude des ondes serait de l’ordre d’un dix-millionième de nanomètre (10-16 m), ce qui fait très peu, il avait prévu d’utiliser plusieurs cylindres installés. Si deux cylindres situés en des lieux éloignés détectaient le même signal avec un décalage d’une fraction de seconde correspondant au temps mis par les ondes pour aller d’un détecteur à l’autre, cela prouverait que ce n’était pas une erreur ou un artefact, mais un authentique signal.

En 1969, Weber a annoncé avoir capté les ondes gravitationnelles. Mais d’autres équipes ont échoué à reproduire ses résultats, et le physicien est mort en 2000, à 81 ans, sans avoir convaincu ses collègues de la validité de ses observations. En revanche, son échec a convaincu Rainer Weiss, physicien au MIT (Massachussets Institute of Technology), de chercher à construire un nouveau dispositif dont les résultats seraient incontestables.

En 1972, Weiss a conçu ce qui allait devenir le Ligo (un récit détaillé de cette aventure scientifique vient d’être publié dans le New Yorker). Son idée ingénieuse a été de réaliser un détecteur en forme de L. Imaginez deux grands tubes, comme deux bras rigoureusement de la même longueur et formant un angle droit. Si une onde gravitationnelle les traverse, elle va allonger très légèrement un des bras en raccourcissant l’autre : si elle étire l’espace dans une direction, elle le comprime dans la direction perpendiculaire.

Comme la déformation est minuscule, il faut un moyen d’une extrême précision pour la mesurer. Weiss a eu l’idée d’utiliser la lumière laser. Le principe est d’envoyer un faisceau laser sur un séparateur placé à l’angle du L. Le faisceau est divisé en deux, et chacun des deux demi-faisceaux de lumière parcourt l’un des bras avant d’être réfléchi, au bout, par un miroir qui le renvoie au point de départ. Si les deux demi-faisceaux parcourent exactement la même distance, ils restent en phase, se recombinent et l’onde qui revient s’annule avec celle qui est partie ; mais si l’un des bras est un tout petit plus court que l’autre, les deux demi-faisceaux seront très légèrement déphasés et il en résultera un signal (comme le battement produit lorsqu’on superpose deux ondes de fréquence voisine).

Le détecteur Ligo de Livingston, Louisiane © ATMOSPHERE AERIAL Le détecteur Ligo de Livingston, Louisiane © ATMOSPHERE AERIAL

Tel était le principe. Mais le plus difficile était la réalisation pratique : l’appareil devait être des milliers de fois plus sensible que tous les dispositifs connus. Et il devait être capable de différencier les ondes gravitationnelles d’un vulgaire effet parasite provoqué par le bruit ambiant de la planète.

Weiss conçut sa première esquisse du dispositif en 1972, mais ce n’est qu’en 1990, près de vingt ans plus tard, qu’il réussit, avec deux autres physiciens, à convaincre la National Science Foundation américaine (NSF) de financer l’entreprise. La NSF avait déjà investi beaucoup d’argent dans le projet inabouti de Weber, avant de suspendre son financement en 1989. Beaucoup de scientifiques craignaient que la NSF ne délaisse d’autres recherches pour financer le Ligo.

« Il n’aurait jamais dû être construit, raconte au New Yorker Richard Isaacson, directeur de programme à la NSF, qui avait soutenu le projet de Weber pendant de longues années avant de l’abandonner au profit du futur Ligo. C’était l’histoire de quelques maniaques qui tournaient en rond, alors qu’aucun signal n’avait jamais été découvert, et qui voulaient améliorer la technologie du vide et celle du laser et la science des matériaux et l’isolation sismiques et les systèmes de feedback, et tout cela de plusieurs ordres de grandeur au-delà de l’état de l’art de l’époque, en utilisant des matériaux qui n’avaient pas encore été inventés.»

La construction débuta en 1994. Weiss avait repris de Weber l’idée de construire deux détecteurs jumeaux pour éliminer la possibilité d’un pseudo-signal. Ils devaient être installé, respectivement, à Hanford, dans l’État de Washington, et à Livingston, en Louisiane, les deux sites étant distants de 3000 kilomètres. Mais cela ne suffisait pas. Il fallait que les tubes où circulerait la lumière laser soient très longs ; ils mesureraient 4 kilomètres chacun. Pour assurer la précision du dispositif, il fallait réaliser dans ces deux tubes un vide incroyablement poussé, ce qui demanda quarante jour de pompage. Il fallait aussi tenir compte du vent, des vagues (Livingston est près de l’océan), des plus infimes secousses sismiques qui auraient pu déranger les miroirs, des imperfections de la lumière laser provoquées par les fluctuations du réseau électrique, de la courbure de la Terre. Le moindre pet de souris à trente kilomètres menaçait de dérégler le dispositif.  

Finalement, la première version du Ligo démarra en 2001, et fonctionna pendant neuf ans, avant d’être arrêté en 2010 pour recevoir une série de perfectionnements qui demanda 5 ans et coûta 200 millions de dollars.

Installation d'un dispositif dans l'un des tubes à vide du Ligo © LIGO Installation d'un dispositif dans l'un des tubes à vide du Ligo © LIGO

Peu avant l’arrêt, en 2010, l’appareil détecta un signal qui avait fortement l’allure d’une onde gravitationnelle. Les physiciens du Ligo l’étudièrent pendant six mois et préparèrent un article scientifique qu’ils s’apprêtaient à publier. Au dernier moment, juste avant sa publication, les dirigeants de l’équipe révélèrent que le signal était faux et avait été fabriqué artificiellement. L’une des subtilités inventées par les maniaques mentionnés plus haut consiste, pour maintenir l’équipe en éveil, à injecter de temps en temps un faux signal dans la machine. Ces « injections aveugles » sont décidées et effectuées secrètement par un groupe formé de quatre personnes parmi les plus de mille qui travaillent au Ligo. Toute l’équipe sait qui sont les quatre, mais ignore quand les faux signaux sont injectés.

Le Ligo s’est donc arrêté en 2010 sans avoir découvert autre chose qu’un signal fabriqué. La version améliorée a démarré en septembre 2015. Le 14 septembre, le système était encore dans la phase de mise en route quand, vers onze heures du matin, un jeune physicien italien de l’équipe Ligo, Marco Drago, vit apparaître sur son ordinateur dans un bureau de l’Institut Albert Einstein, à Hanovre, en Allemagne, une sorte de gribouillis représentant un « événement », autrement dit un signal inhabituel.

Drago ne se trouvait pas sur l’un des sites du Ligo mais faisait partie d’un groupe de chercheurs chargé d’analyser les données. En apercevant le signal, sa première réaction fut de supposer que, comme celui de 2010, il était faux. Le directeur du Ligo, David Reitze, avait prévenu l’équipe que l’on n’observerait sans doute rien d’intéressant avant 2017 ou 2018. La machine venait de redémarrer et n’était même pas complètement en fonction. De plus, Drago ne s’attendait pas à ce que la première découverte soit un signal clair et net, mais plutôt à ce que ce soit un signal brouillé, qu’il faudrait extraire du bruit par un traitement exigeant de longues heures de calcul.

Bref, l’événement qui s’affichait sur l’ordinateur de Hanovre, le 14 septembre dernier paraissait trop beau pour être authentique. Marco Drago a pensé immédiatement à une « injection aveugle ». Seul problème : le système permettant ces injections n’était pas encore remis en service. Drago savait donc que l’alerte qu’il avait reçue ne pouvait pas être due à une injection aveugle. Après une série coups de fil à ses collègues pour vérifier qu’il n’y avait pas une explication simple, il n’a eu d’autre choix que d’envoyer un mail collectif à toute l’équipe Ligo pour demander si quelqu’un était au courant d’une quelconque manœuvre ayant pu provoquer l’alerte du 14 septembre.

Un technicien inspecte un  système optique du Ligo © LIGO Un technicien inspecte un système optique du Ligo © LIGO

Bien sûr, après cet email, toute l’équipe savait qu’un énorme signal avait été détecté et qu’il ne résultait pas d’une injection. Les dirigeants de l’équipe ont confirmé quelques jours plus tard que le signal n’était probablement pas artificiel. À partir de là, toute l’équipe était en effervescence.

Il a fallu près de cinq mois de vérifications multiples pour s’assurer qu’il n’y avait pas une erreur quelque part. David Reitze, directeur de l’équipe et membre du quatuor responsable des signaux fabriqués, a été jusqu’à se demander si quelqu’un n’avait pas pu, par malice, introduire un faux signal dans la machine. Finalement, le 11 février, Reitze a pu annoncer officiellement que l’équipe  avait bel et bien détecté des ondes gravitationnelles, produites par deux trous noirs géants qui ont fusionné il y a 1,3 milliard d’années, en-dehors de notre galaxie, quelque part dans la direction des Nuages de Magellan.

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