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lundi 23 janvier 2017
dimanche 22 janvier 2017
mercredi 11 janvier 2017
Ondes gravitationnelles : les coulisses d’une découverte
L’histoire des ondes gravitationnelles
L’Univers gélatineux
L’histoire des ondes gravitationnelles commence en 1915 lorsqu’Albert Einstein publie sa théorie de la relativité générale. Cette année-là, le physicien propose une nouvelle façon de voir le monde qui nous entoure. Sa théorie énonce notamment que la gravitation peut être comprise comme une courbure de l’espace-temps. L’espace et le temps sont intimement imbriqués depuis la théorie de la relativité restreinte publiée en 1905, par Einstein également. Par souci de visualisation, il est commun et plus aisé d’imaginer l’espace-temps comme une membrane élastique tendue. Placez une boule de pétanque sur la membrane et la surface s’enfoncera. L’espace-temps est désormais incurvé et les autres masses qui se déplacent auront tendance à suivre les pentes de la membrane avant de tomber sur la boule de pétanque. Une des conséquences de la relativité générale est que cette membrane (l’espace-temps en réalité) peut vibrer lorsque des masses sont accélérées. Tout comme notre membrane va vibrer si deux boules de pétanque finissent par s’entrechoquer. Dans la réalité, les vibrations se propagent dans toutes les directions à la vitesse de la lumière. Et le milieu de propagation n’est pas fait de matière, c’est l’espace lui-même qui vibre. L’Univers s’apparente ainsi à une sorte de gelée. Et notre gelée cosmique vibre au rythme des phénomènes astrophysiques. Chaque masse accélérée produit des tremblements d’Univers, et pas seulement les phénomènes les plus extrêmes. Un exemple : le système Terre-Soleil perd environ 200 watts par émission d’ondes gravitationnelles, soit la puissance nécessaire pour faire fonctionner la trancheuse à jambon de votre traiteur. Le cataclysme détecté en septembre 2015 a quant à lui libéré une puissance cinquante fois plus importante que toutes les étoiles de l’Univers observable !
Lorsque Einstein finit par admettre la réalité de ces ondes gravitationnelles, il concède toutefois que les vibrations seraient si faibles qu’elles échapperaient à toute tentative de détection. Effectivement, le signal est subtil. La vibration qui a traversé la Terre en septembre 2015 n’a ainsi fait varier les distances que de l’ordre de la taille d’un atome sur la distance Terre-Soleil (150 millions de kilomètres) ! Malgré sa grande capacité de projection, Einstein ne pouvait prévoir les trésors d’ingéniosité mis en oeuvre par les scientifiques qui ont suivi ses pas. Afin de comprendre l’incroyable sensibilité d’un détecteur d’ondes gravitationnelles, direction le nord de l’Italie.
Un détecteur franco-italien
La ville de Pise possède une force d’attraction particulière sur les physiciens. Vers 1570, Galilée, père de la science moderne selon certains, y étudie le mouvement de pendules. Il aurait puisé son inspiration dans l’oscillation régulière des lustres de la cathédrale située sur la Piazza del Duomo. Cette magnifique place est connue dans le monde entier pour sa tour penchée et ses touristes qui tentent, le temps d’une photo, de la redresser. Prenez la route vers le sud-est et, 17 kilomètres plus tard, vous arrivez à la ville de Cascina où se dresse une autre cathédrale. Celle-ci n’est pas construite en pierre, mais en béton pris dans un enchevêtrement vertigineux d’acier inoxydable. Pas de vitraux colorés mais des lasers et des miroirs ultraréfléchissants. Nous sommes le mardi 12 janvier 2016. À l’entrée de Virgo, un vent soutenu met les drapeaux italien et français à rude épreuve. Aujourd’hui, la langue de Molière résonne plus que d’habitude dans les couloirs du site. Une équipe de Français issus de plusieurs laboratoires partenaires prépare l’annonce qui doit être faite dans trente jours. La tension est palpable. L’armure de confidentialité entourant la découverte de septembre commence à se fissurer. Le feu des rumeurs couve depuis des semaines et hier, en fin d’après-midi, le tweet du physicien américain Lawrence M. Krauss est venu souffler sur les braises : « Ma rumeur précédente à propos de LIGO a été confirmée par des sources indépendantes. Restez à l’écoute ! Les ondes gravitationnelles ont peut-être été détectées ! » Les médias se glissent dans la brèche, impatients de titrer une fois de plus « Einstein avait raison ! » Benoît Mours, responsable scientifique de Virgo pour la France, tente de désamorcer la rumeur avec les médias francophones. Il est au téléphone avec un rédacteur du quotidien Le Parisien. « Pensez-vous qu’une fuite est possible ? », interroge le journaliste loin d’être rassasié par les réponses du chercheur. « Je suis mal placé pour me prononcer sur une fuite, je ne suis pas plombier », réplique le physicien qui enchaîne sur la réponse type prévue pour cette situation : « Nous collectons beaucoup de données. Nous les analysons et cela prend du temps. Les signaux que nous recherchons sont très faibles. Il faut attendre d’avoir tout collecté pour bien comprendre les choses. Nous essayons d’éviter de faire des erreurs. Ce n’est qu’à la fin de ce long processus que l’on peut être sûr de ce que l’on voit et publier nos résultats… »
J’ai passé les fêtes de Noël avec toute ma famille sans rien leur dire.
Grand, fin, paré de lunettes et d’un sourire qu’il faut déchiffrer, Benoît Mours parle d’une voix douce qui oblige souvent à tendre l’oreille. Le physicien de 58 ans aime comparer le travail de chercheur à celui d’un enquêteur de série policière. « Sauf qu’au lieu de travailler avec des cadavres, on travaille avec la matière, la vie et les grandes énigmes de l’Univers. » Le secret de l’événement, il a su le garder pour lui. « J’ai passé les fêtes de Noël avec toute ma famille sans rien leur dire. Partager ce secret n’est pas forcément un cadeau. Une fois qu’on le détient, c’est dur de le garder pour soi. »
Benoît Mours travaille sur la quête d’ondes gravitationnelles depuis qu’il a quitté le monde de la physique des particules à la fin des années 1980. « Le problème, c’est qu’il n’y avait plus de problème, tout se passe comme prévu par le modèle standard. Et puis l’astronomie, ça fait rêver. » Lors d’une année sabbatique, il part aux États-Unis, où il noue des premiers liens avec les équipes de LIGO. Il leur présentera notamment le format .gwf (gravitationnal wave frame) qu’il vient de développer pour standardiser les données produites par les détecteurs. Les Américains sont convaincus : Virgo et LIGO parleront la même langue. En 2007, alors que Benoît Mours est porte-parole du détecteur européen, LIGO et Virgo s’associent de manière plus intime. Les deux équipes partagent leurs données, les traitent ensemble et cosignent toutes les publications scientifiques. Les miroirs qui équipent les détecteurs américains sont les mêmes que ceux de Virgo. Tous ont été traités au Laboratoire des matériaux avancés de Lyon. « Nous nous réunissons deux fois par an, dont une fois à Pasadena, en Californie. Mais sinon il y a des réunions téléphoniques toutes les semaines. » La fréquence des échanges entre les deux équipes a considérablement augmenté depuis septembre, surtout depuis les rumeurs.
Les détecteurs de l’extrême
Sur le site de Virgo, Benoît Mours est accompagné, entre autres, de ses collègues Frédérique Marion et Nicolas Arnaud. Ils préparent la conférence de presse qui aura lieu dans moins d’un mois, ce qui va être dit au public (« Il ne faut pas expliquer les choses avec des puissances de dix, c’est trop compliqué ») et ce qui va être fait (« Faut-il faire visiter la salle du laser ? »). L’équipe quitte le bâtiment des bureaux pour se diriger vers l’instrument à proprement parler. Les détecteurs d’ondes gravitationnelles cumulent les superlatifs. « Virgo est l’un des plus gros tubes à vide qui existe sur Terre. Il a même un volume d’ultravide supérieur à celui du LHC », souligne Gabriel Chardin, le président du comité des Très Grandes Infrastructures de recherche (TGIR). Cet organe du CNRS participe à la gestion des instruments scientifiques géants comme Virgo, ceux du Cern et les grands télescopes tournés vers le cosmos. Vu de l’espace, Virgo dessine un grand L. En gravissant la colline sur laquelle trône un bâtiment central blanc et sans fenêtre, on aperçoit les deux tubes qui s’étirent sur 3 kilomètres chacun. Avec de telles distances et un instrument aussi sensible, la courbure de la Terre devient un paramètre à prendre en compte. Dans chaque tube de 3 kilomètres règne l’ultravide. La construction de Virgo fut une prise de risque sans précédent pour le CNRS et son partenaire italien, l’Institut national de physique nucléaire (INPN).
« Habituellement, il y a un continuum entre les différentes étapes qui mènent à la création d’un très gros instrument », détaille Gabriel Chardin. « Il y a l’émergence, le démarrage des idées, suivi de projets intermédiaires, qui débouchent finalement sur une très grande infrastructure de recherche.
C’est un dépassement technologique extraordinaire.
La précision obtenue par ces interféromètres
est gigantesque.
La précision obtenue par ces interféromètres
est gigantesque.
Pour Virgo, tout était nouveau, il fallait commencer directement par la construction d’un très gros instrument. La part de risque était forte, mais les études montraient que l’on devait pouvoir y arriver. » Patrice Hello, du LAL, se rappelle également les balbutiements des débuts. « Les arguments étaient à la fois scientifiques et techniques. Il fallait construire un grand interféromètre suspendu, avec des lasers à la fois de puissance et stabilisés en amplitude et en fréquence. Ces deux choses sont habituellement antagonistes. Mais on s’est rendu compte que toutes les technologies nécessaires étaient mûres : lasers, optique et technique du vide. Quand on regardait chaque petit défi, cela paraissait possible. La grande difficulté de Virgo était d’assembler et de faire fonctionner ensemble toutes ces technologies de pointe. »
Le principe de Virgo, un grand interféromètre de Michelson, est relativement simple. Un faisceau laser est scindé en deux par un miroir semi-réfléchissant, appelé « séparatrice ». Les deux faisceaux produits parcourent alors une certaine distance, sont réfléchis par des miroirs puis recombinés au niveau de la séparatrice. La recombinaison produit des interférences que l’on peut enregistrer avec un capteur. Cette technique a été inventée à la fin du XIXesiècle par Albert Abraham Michelson et Edward Morley lorsqu’ils ont tenté de démontrer l’existence de l’éther, support supposé de propagation de la lumière. Leur expérience a finalement montré que l’éther n’existait pas et que la lumière conservait une vitesse constante quels que soient les déplacements de l’observateur. Les bras de leur interféromètre mesuraient 10 mètres chacun. Les bras de Virgo mesurent 300 fois plus. « D’un point de vue technologique, c’est sans commune mesure », s’enthousiasme Gabriel Chardin, pourtant habitué des instruments scientifiques les plus puissants et volumineux du monde. « C’est un dépassement technologique extraordinaire. La précision obtenue par ces interféromètres est gigantesque par rapport à ce qui se faisait avant en termes de recherche d’ondes gravitationnelles. » La sensibilité extrême de Virgo et LIGO repose sur la taille de l’interféromètre mais aussi sur la stabilité de ses éléments. Les miroirs ultrapolis qui guident les faisceaux laser doivent être suspendus à des systèmes qui annulent toute vibration qui viendrait du sol. Une colonne de sept stabilisateurs empilés assure que les miroirs et bancs optiques restent les objets les plus immobiles sur Terre. Sans ces précautions, une vague qui percute la côte à des dizaines de kilomètres perturberait la mesure. Le passage d’une onde gravitationnelle, en modifiant la longueur du chemin à parcourir par le laser entre les miroirs, laisse un signal dans l’interférence des deux faisceaux laser recombinés.
Des signaux à traiter en temps réel
La fréquence et l’amplitude de l’onde gravitationnelle peuvent ensuite être déterminées à partir de ce signal. Puis, de ces deux paramètres, les chercheurs déduisent la nature de l’événement astrophysique à la source de l’émission. « Les analyses sont faites en temps réel afin de pouvoir envoyer des alertes à des télescopes conventionnels pour détecter un signal électromagnétique, avec de la lumière donc, lié au même événement », souligne Frédérique Marion. L’analyse en temps réel se fait en « glissant » des espèces de calques numériques sur les données produites en continu par les instruments. « Pour la recherche de signaux provoqués par la collision de trous noirs ou étoiles à neutrons, on peut s’appuyer sur nos prédictions. Si on connaît les masses des astres, on peut prédire le signal qui va être produit. La difficulté, c’est que le signal que l’on cherche dépend de la masse des objets que l’on ne connaît pas a priori. Cela veut donc dire qu’il faut balayer tout l’espace des paramètres pour rechercher plein de signaux différents correspondant à plein de paramètres différents. »
Des signaux à traiter en temps réel
La fréquence et l’amplitude de l’onde gravitationnelle peuvent ensuite être déterminées à partir de ce signal. Puis, de ces deux paramètres, les chercheurs déduisent la nature de l’événement astrophysique à la source de l’émission. « Les analyses sont faites en temps réel afin de pouvoir envoyer des alertes à des télescopes conventionnels pour détecter un signal électromagnétique, avec de la lumière donc, lié au même événement », souligne Frédérique Marion. L’analyse en temps réel se fait en « glissant » des espèces de calques numériques sur les données produites en continu par les instruments. « Pour la recherche de signaux provoqués par la collision de trous noirs ou étoiles à neutrons, on peut s’appuyer sur nos prédictions. Si on connaît les masses des astres, on peut prédire le signal qui va être produit. La difficulté, c’est que le signal que l’on cherche dépend de la masse des objets que l’on ne connaît pas a priori. Cela veut donc dire qu’il faut balayer tout l’espace des paramètres pour rechercher plein de signaux différents correspondant à plein de paramètres différents. »
La création des centaines de milliers de calques qui balayent les données de Virgo et LIGO représente un travail colossal, appuie Patrice Hello : « On peut considérer que c’est une grande découverte en soi. Résoudre numériquement les équations de la relativité générale est très compliqué. Il nous a fallu des supercalculateurs et des méthodes numériques très sophistiquées. » Cette difficulté provient du caractère non linéaire de la relativité générale, explique Frédérique Marion : « La masse influe sur l’espace qui est autour d’elle mais en même temps, c’est l’espace, sa courbure, qui va dire à la masse comment elle doit se déplacer. Donc il y a un effet qui se mord la queue. Et ces effets non linéaires sont d’autant plus forts dans des conditions extrêmes, comme dans le cas des trous noirs. »
Une nouvelle fenêtre sur l’Univers
La visite de Virgo touche à sa fin pour les équipes françaises. Après un passage à l’extrémité du bras ouest, Nicolas Arnaud revient vers le bâtiment central de la séparatrice au volant d’une voiturette électrique « qui sert surtout lors de la visite des journalistes ». À sa gauche défile le tube à vide de 3 kilomètres dans lequel circule le laser. « Virgo est un instrument gigantesque, donc on éprouve à la fois un sentiment de grandeur et une humilité liée au fait que l’on est très nombreux à y contribuer. Que l’on travaille dans l’électronique, dans le contrôle du vide, dans l’informatique, dans l’analyse des données, dans l’instrumentation, chacun apporte sa propre pierre. Et voir que toutes ces volontés, ces activités convergent vers un seul et même but, je trouve cela très beau. »
L’annonce
11 février 2016. La découverte va être annoncée simultanément à Washington DC, au siège du CNRS à Paris et sur le site de Virgo en Italie. Nicolas Arnaud débute la visite du site italien avec des journalistes triés sur le volet. Benoît Mours et Frédérique Marion sont assis à la table des intervenants au CNRS face à un parterre de caméras, de calepins et de micros. « Je vis un mélange de tension, d’émotion et de soulagement de pouvoir enfin partager ce secret avec le monde », confie Frédérique Marion. Tous les sites sont reliés par visioconférence et des serveurs dédiés retransmettent l’événement en direct. Un record de connexions fait d’ailleurs tomber quatre serveurs du centre de calcul.
La visite de Virgo touche à sa fin pour les équipes françaises. Après un passage à l’extrémité du bras ouest, Nicolas Arnaud revient vers le bâtiment central de la séparatrice au volant d’une voiturette électrique « qui sert surtout lors de la visite des journalistes ». À sa gauche défile le tube à vide de 3 kilomètres dans lequel circule le laser. « Virgo est un instrument gigantesque, donc on éprouve à la fois un sentiment de grandeur et une humilité liée au fait que l’on est très nombreux à y contribuer. Que l’on travaille dans l’électronique, dans le contrôle du vide, dans l’informatique, dans l’analyse des données, dans l’instrumentation, chacun apporte sa propre pierre. Et voir que toutes ces volontés, ces activités convergent vers un seul et même but, je trouve cela très beau. »
L’annonce
11 février 2016. La découverte va être annoncée simultanément à Washington DC, au siège du CNRS à Paris et sur le site de Virgo en Italie. Nicolas Arnaud débute la visite du site italien avec des journalistes triés sur le volet. Benoît Mours et Frédérique Marion sont assis à la table des intervenants au CNRS face à un parterre de caméras, de calepins et de micros. « Je vis un mélange de tension, d’émotion et de soulagement de pouvoir enfin partager ce secret avec le monde », confie Frédérique Marion. Tous les sites sont reliés par visioconférence et des serveurs dédiés retransmettent l’événement en direct. Un record de connexions fait d’ailleurs tomber quatre serveurs du centre de calcul.
Après quelques balbutiements techniques, la conférence peut commencer. La parole est donnée en premier aux Américains. Ce sont leurs instruments qui ont fait la détection. Le directeur du LIGO, David Reitze, prend la parole sous les applaudissements : « We did it ! » Fulvio Ricci, porte-parole de Virgo, enchaîne depuis Cascina, en Italie. « C’est un cap crucial pour la physique, mais, plus important encore, il s’agit du début d’une longue série de nouvelles découvertes excitantes à faire avec LIGO et Virgo. »
Après les ondes électromagnétiques (lumière, ondes radio, rayons X…), qui ont permis aux astronomes d’observer des phénomènes et des objets cosmiques de plus en plus éloignés, les ondes gravitationnelles vont désormais permettre d’étudier des événements extrêmes et de remonter plus loin dans l’histoire de l’Univers. Le détecteur Virgo redémarrera bientôt avec une sensibilité plus poussée. Grâce aux trois instruments de la collaboration LIGO-Virgo, la communauté scientifique disposera alors d’un observatoire gravitationnel capable d’identifier et de localiser encore plus précisément les sources de ces précieuses ondes. L’ère de l’astronomie gravitationnelle est née.
Cet article a été publié le 3 novembre 2016 dans le premier numéro de Carnets de Science, première revue d’information scientifique du CNRS destinée au grand public. En vente dans les librairies et Relay, ainsi que sur le site Carnets de science.
samedi 7 janvier 2017
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