Premières ondes gravitationnelles détectées en Europe

Et de quatre. La litanie du passage d’ondes gravitationnelles sur Terre se poursuit. Elles font vibrer l’espace-temps qui nous entoure à la manière d’un veau en gelée secoué par un cuisinier. Par trois fois déjà, des détecteurs ont observé à leur passage les minuscules dilatations et contractions des distances sur moins du millième du diamètre d’un électron.

Cette fois la nouveauté, annoncée mercredi 27 septembre, est triple. C’est la première fois que les scientifiques européens observent ces infimes oscillations dans leur détecteur, Virgo, installé près de Pise en Italie. Le 14 août, les deux longs bras lumineux de trois kilomètres de l’instrument ont senti le passage d’une telle onde, 14 millisecondes après sa traversée d’un des deux détecteurs de leurs homologues américains, LIGO, à Livingston (Louisiane). Et 6 millisecondes après la même secousse enregistrée sur le second détecteur LIGO à Hanford (Etat de Washington).

L’origine de ces secousses sans gravité est, comme les trois fois précédentes, la fusion de deux trous noirs massifs (respectivement 30 fois et 25 fois plus lourds que le Soleil) qui spiralent l’un autour de l’autre avant de ne faire plus qu’un. Dans le mariage, une énergie correspondant à la disparition de la masse de presque trois soleils s’est dissipée, agitant l’espace-temps comme un galet faisant onduler la surface d’un lac. Tout ceci à environ 1,8 milliard d’années-lumière de la Terre.

« Cela faisait vingt-cinq ans que j’attendais un tel événement », savoure Matteo Barsuglia, directeur de recherche au CNRS et responsable de l’équipe Virgo au laboratoire AstroParticules et Cosmologie à Paris.

« J’étais déjà content pour la première annonce en février 2016, car la collaboration avec LIGO est étroite et forte depuis longtemps et nous leur avons donné des idées, fourni les miroirs, échangé des post-docs. Et LIGO nous a aidés à fonctionner au début », explique Alain Brillet, directeur de recherche du CNRS, qui, mercredi, a aussi appris qu’il recevrait la médaille d’or 2017 du CNRS. « Certes, nous avions cosigné les découvertes précédentes avec LIGO, mais c’était énervant de pas avoir de signal dans notre propre instrument », indique Jean-Yves Vinet, directeur de recherche au CNRS à l’Observatoire de la Côte d’Azur.

Un événement cosmique cataclysmique

C’est désormais chose faite, mais de justesse car les trois détecteurs n’ont fontionné qu’un mois ensemble, en août, avant d’être arrêtés pour un an environ afin que des travaux soient effectués pour augmenter leur précision.

« C’est merveilleux de voir un premier signal d’ondes gravitationnelles dans notre tout nouveau détecteur seulement deux semaines après qu’il a officiellement commencé à prendre des données », a déclaré Jo van den Brand, de l’université libre d’Amsterdam et porte-parole de la collaboration Virgo, lors de la conférence de presse qui s’est tenue à Turin en marge du sommet G7 des ministres de la recherche. Virgo est en effet un instrument principalement franco-italien lancé en 1993 par le CNRS et son homologue transalpin, l’INFN.

Outre la célébration de cette première, cette mesure de Virgo apporte une nouvelle précision. La détection simultanée par trois « antennes » permet de mieux localiser dans le ciel l’origine de cet événement cosmique cataclysmique.

D’une énorme région en forme de banane, la zone s’est transformée, grâce à l’apport de Virgo, en une cacahuète dix fois plus petite, et grande environ comme 300 pleines lunes. Elle est située dans l’hémisphère Sud vers la constellation de l’Eridan. « On commence à pouvoir pointer vers le ciel », résume Matteo Barsuglia.

C’est d’ailleurs le but de ces détecteurs de se transformer en véritable observatoire du ciel complémentaire de tous les autres, qui sont automatiquement alertés en cas de détection simultanée dans Virgo et LIGO.

Théorie d’Einstein confirmée

Mais, cette fois, comme pour les trois détections précédentes, aucun des vingt-cinq télescopes terrestres ou spatiaux observant le ciel dans le visible, les rayons X, les infrarouges ou les rayons gamma… n’a trouvé d’objet qui pourrait coïncider avec cette source. « Comme Galilée regardant dans sa lunette, c’est une nouvelle percée en astronomie. Une nouvelle façon de voir l’univers. La suite promet d’être excitante », prévoit Barry Barish, qui a dirigé l’expérience LIGO entre 1994 et 2005.

Enfin, cette dernière détection simultanée a permis de confirmer une autre prédiction de la théorie de la relativité d’Einstein sur la nature de ces ondes. Les équations d’Einstein prédisent l’existence de ces ondes mais précisent aussi qu’elles sont de nature différente des ondes électromagnétiques. Elles ont, comme elles, une polarisation, c’est-à-dire des orientations privilégiées, mais un peu plus étrange.

Lorsqu’elles se propagent, elles étirent et contractent les distances dans deux directions du plan perpendiculaire à leur avancée, au lieu d’une. Un collier de perles circulaire se transforme ainsi en ellipse.

Et c’est exactement ce qu’ont pu voir LIGO et Virgo, mais qui avait échappé à LIGO seul car ses deux détecteurs étaient « alignés » de la même façon, empêchant de mesurer complètement la polarisation.

« Tous ces résultats sont un magnifique succès expérimental. Ils confirment une nouvelle fois la théorie d’Einstein », souligne Thibault Damour, professeur à l’Institut des hautes études scientifiques et colauréat, avec Alain Brillet, de la médaille d’or du CNRS.