Dans le cadre de sa théorie générale de la relativité, Einstein a prédit que la masse devrait émettre des ondes de gravité. Il devrait être capable de détecter les ondes de gravité les plus puissantes qui traversent la Terre. Et un observatoire spatial prévu pour le lancement en 2015 appelé LISA devrait être encore plus fort.
Les scientifiques sont proches de voir réellement des ondes gravitationnelles. Crédit d'image: NASA
La gravité est une force familière. C’est la raison de la peur des hauteurs. Il tient la lune sur la Terre, la Terre sur le soleil. Il empêche la bière de flotter hors de nos verres.
Mais comment? La Terre envoie-t-elle des messages secrets à la lune?
Eh bien, oui - en quelque sorte.
Eanna Flanagan, professeur agrégé de physique et d'astronomie à Cornell, a consacré sa vie à la compréhension de la gravité depuis qu'il était étudiant à l'University College Dublin dans son Irlande natale. Maintenant, près de deux décennies après avoir quitté l'Irlande pour étudier pour son doctorat sous le célèbre relativiste Kip Thorne au California Institute of Technology, son travail se concentre sur la prédiction de la taille et de la forme des ondes gravitationnelles - un phénomène insaisissable prévu par la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1916. mais qui n'ont jamais été directement détectés.
En 1974, les astronomes de l'Université de Princeton, Russell Hulse et Joseph H. Taylor Jr., ont indirectement mesuré l'influence des ondes de gravité sur les étoiles à neutrons co-orbitantes, une découverte qui leur a valu le prix Nobel de physique en 1993. Grâce aux récents travaux de Flanagan et de ses collègues, les scientifiques sont maintenant sur le point de voir directement les premières ondes de gravité.
Le son ne peut pas exister dans le vide. Il a besoin d'un moyen, comme l'air ou l'eau, pour transmettre son message. De même, la gravité ne peut exister dans le néant. Il a lui aussi besoin d'un moyen pour transmettre son message. Einstein a émis l'hypothèse que ce médium est l'espace et le temps, ou le «tissu espace-temps».
Les changements de pression - un coup sur un tambour, une corde vocale vibrante - produisent des ondes sonores, des ondulations dans l'air. Selon la théorie d'Einstein, les changements de masse - la collision de deux étoiles, la poussière atterrissant sur une étagère - produisent des ondes de gravité, des ondulations dans l'espace-temps.
Parce que la plupart des objets du quotidien ont une masse, les ondes de gravité devraient être tout autour de nous. Alors pourquoi n'en trouve-t-on pas?
«Les ondes de gravité les plus fortes provoqueront des perturbations mesurables sur Terre 1 000 fois plus petites qu'un noyau atomique», a expliqué Flanagan. «Les détecter est un énorme défi technique.»
La réponse à ce défi est LIGO, l'observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser, une expérience colossale impliquant une collaboration de plus de 300 scientifiques.
LIGO se compose de deux installations distantes de près de 2 000 miles - une à Hanford, Wash., Et une à Livingston, La. Chaque installation a la forme d'un «L» géant avec deux bras de 2,5 miles de long et 4 pieds de diamètre tuyaux sous vide enrobés de béton. Des faisceaux laser ultra-stables traversent les tuyaux, rebondissant entre les miroirs à l'extrémité de chaque bras. Les scientifiques s'attendent à ce qu'une onde de gravité passante étire un bras et serre l'autre, ce qui oblige les deux lasers à parcourir des distances légèrement différentes.
La différence peut alors être mesurée en «interférant» avec les lasers où les bras se croisent. Il est comparable à deux voitures qui roulent perpendiculairement vers un carrefour. S'ils parcourent la même vitesse et la même distance, ils s'écraseront toujours. Mais si les distances sont différentes, elles pourraient manquer. Flanagan et ses collègues espèrent un échec.
En outre, exactement combien les lasers frappent ou manquent fourniront des informations sur les caractéristiques et l'origine de l'onde gravitationnelle. Le rôle de Flanagan est de prévoir ces caractéristiques afin que ses collègues de LIGO sachent quoi rechercher.
En raison des limites technologiques, LIGO est uniquement capable de détecter des ondes gravitationnelles de certaines fréquences à partir de sources puissantes, y compris des explosions de supernova dans la Voie lactée et des étoiles à neutrons en rotation ou en orbite rapide dans la Voie lactée ou dans des galaxies lointaines.
Pour élargir les sources potentielles, la NASA et l'Agence spatiale européenne planifient déjà le successeur du LIGO, LISA, l'antenne spatiale de l'interféromètre laser. LISA est similaire dans son concept à LIGO, sauf que les lasers rebondiront sur trois satellites distants de 3 millions de miles, traînant la Terre en orbite autour du soleil. En conséquence, LISA sera capable de détecter des ondes à des fréquences inférieures à LIGO, telles que celles produites par la collision d'une étoile à neutrons avec un trou noir ou la collision de deux trous noirs. Le lancement de LISA est prévu pour 2015.
Flanagan et ses collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology ont récemment déchiffré la signature des ondes gravitationnelles qui se produit lorsqu'un trou noir supermassif avale une étoile à neutrons de la taille d'un soleil. C'est une signature qu'il sera important que LISA reconnaisse.
"Quand LISA vole, nous devrions voir des centaines de ces choses", a noté Flanagan. «Nous pourrons mesurer comment l'espace et le temps sont déformés, et comment l'espace est censé être tordu par un trou noir. Nous voyons un rayonnement électromagnétique, et nous pensons que c'est probablement un trou noir - mais c'est à peu près autant que nous en sommes. Ce sera très excitant de voir enfin que la relativité fonctionne réellement. »
Mais, a-t-il averti, «cela pourrait ne pas fonctionner. Les astronomes observent que l'expansion de l'univers s'accélère. Une explication est que la relativité générale doit être modifiée: Einstein avait surtout raison, mais dans certains régimes, les choses pouvaient fonctionner différemment. »
Thomas Oberst est stagiaire en rédaction scientifique au Cornell News Service.
Source d'origine: Cornell University
