{"id":56654,"date":"2021-11-29T12:09:41","date_gmt":"2021-11-29T11:09:41","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ubfc.fr\/?p=56654"},"modified":"2022-02-01T12:33:01","modified_gmt":"2022-02-01T11:33:01","slug":"ondes-gravitationnelles-le-chant-silencieux-des-trous-noirs","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ubfc.fr\/en\/ondes-gravitationnelles-le-chant-silencieux-des-trous-noirs\/","title":{"rendered":"Ondes gravitationnelles : le chant silencieux des trous noirs"},"content":{"rendered":"\t\t
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[Publi\u00e9 le 29 novembre 2021<\/span>]<\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\tJos\u00e9 Luis Jaramillo<\/a>, Universit\u00e9 de Bourgogne \u2013 UBFC<\/a><\/em>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Duo de trous noirs qui dansent.\nLIGO\/Caltech\/MIT\/Sonoma State (Aurore Simonnet)<\/a>, CC BY-NC-ND<\/a><\/span><\/figcaption><\/figure>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Les trous noirs dansent, et quand ils dansent, ils le font en couple. C\u2019est d\u2019ailleurs la norme dans l\u2019Univers : la plupart des \u00e9toiles \u00e9voluent dans des syst\u00e8mes dits binaires, form\u00e9s par deux objets orbitant l\u2019un autour l\u2019autre.<\/p>

Non seulement ils dansent, mais tandis qu\u2019ils dansent, les trous noirs chantent \u00e9galement. Ce chant un peu singulier ne prend ni la forme d\u2019un son, de la lumi\u00e8re, ni d\u2019autres ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques. C\u2019est n\u00e9anmoins bien un rayonnement avec ses rythmes, ses tons et ses harmoniques, m\u00eame sa m\u00e9lodie et ses diff\u00e9rentes \u00ab voix \u00bb\u2026<\/p>

Un v\u00e9ritable chant, codifi\u00e9 dans des ondes dites gravitationnelles, qui permet d\u2019identifier les plus fins d\u00e9tails des trous noirs qui lui correspondent et de leur danse orbitale : \u00e0 la mani\u00e8re de l\u2019ornithologue qui reconna\u00eet dans le chant des oiseaux leur esp\u00e8ce et leurs caract\u00e9ristiques, les astrophysiciens extraient \u00e0 partir des ondes gravitationnelles les propri\u00e9t\u00e9s de chacun des trous noirs et de leur orbite.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Perturbation dans la courbure de l\u2019espace-temps<\/h2>

L\u2019existence de ces ondes, extr\u00eamement difficiles \u00e0 d\u00e9tecter, a \u00e9t\u00e9 pr\u00e9dite par Albert Einstein en 1916<\/a>, juste apr\u00e8s sa formulation de la relativit\u00e9 g\u00e9n\u00e9rale, qui n\u2019est autre que la description th\u00e9orique dont nous usons aujourd\u2019hui pour expliquer la gravit\u00e9. Cette th\u00e9orie explique le ph\u00e9nom\u00e8ne gravitationnel en termes de ce qu\u2019on d\u00e9signe comme \u00ab courbure de l\u2019espace-temps \u00bb.<\/p>

Les ondes \u00e9mises par les binaires de trous noirs, de nature gravitationnelle, sont alors des perturbations de cette courbure de l\u2019espace-temps qui se propagent sur le propre espace-temps. Similaires aux ondes dans un \u00e9tang, qui sont des perturbations de la surface de l\u2019eau quand elles se propagent sur celle-ci.<\/p>

Le 14 septembre 2015, l\u2019antenne gravitationnelle Ligo a pour la premi\u00e8re fois d\u00e9tect\u00e9 directement ces ondes. Depuis, une cinquantaine des d\u00e9tections ont suivi jusqu\u2019\u00e0 la date pr\u00e9sente, initiant une v\u00e9ritable nouvelle \u00e9tape dans l\u2019\u00e9tude de l\u2019Univers : l\u2019astronomie des ondes gravitationnelles.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Un fonctionnement similaire \u00e0 celui des mar\u00e9es<\/h2>

Mais d\u00e9crire ces ondes comme des perturbations de la courbure de l\u2019espace-temps est assez cryptique. Une approche plus intuitive fait appel \u00e0 la notion plus famili\u00e8re de mar\u00e9e, notamment la mont\u00e9e et descente des oc\u00e9ans deux fois par jour.<\/p>

Celles-ci sont produites pour l\u2019action gravitationnelle de la Lune et le Soleil, qui d\u00e9forment la surface des oc\u00e9ans dans une esp\u00e8ce d\u2019ellipso\u00efde.<\/p>

\u00c9tant donn\u00e9e une position relative de la Terre-Lune-Soleil (qui d\u00e9finit ce que l\u2019on appelle un \u00ab jour dans un mois \u00bb), cette d\u00e9formation ellipso\u00efdale des oc\u00e9ans est \u00ab stationnaire \u00bb, c\u2019est-\u00e0-dire que sa forme ne change pas. C\u2019est la rotation de la Terre, dont la cro\u00fbte (plus rigide) n\u2019est pas d\u00e9form\u00e9e par les mar\u00e9es, qui fait qu\u2019une c\u00f4te donn\u00e9e va passer deux fois par jour par une bosse de l\u2019ellipso\u00efde des eaux (mar\u00e9es hautes) et deux fois par jour par un creux (mar\u00e9es basses).<\/p>

C\u2019est le ph\u00e9nom\u00e8ne familier des mar\u00e9es.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Ondes gravitationnelles comme mar\u00e9es en propagation<\/h2>

Que se passerait-il si, d\u2019un coup, le Soleil et la Lune n\u2019\u00e9taient plus l\u00e0 ? Les oc\u00e9ans n\u2019auraient plus de raison d\u2019\u00eatre d\u00e9form\u00e9s et r\u00e9cup\u00e9reraient une forme plus sph\u00e9ro\u00efdale.<\/p>

Mais ce processus est soumis \u00e0 deux contraintes : d\u2019une part, l\u2019information de la disparition de la Lune et du Soleil doit se propager \u00e0 une vitesse finie (rien ne peut voyager plus rapidement que la lumi\u00e8re, selon la relativit\u00e9 restreinte d\u2019Einstein). D\u2019autre part, la relaxation des oc\u00e9ans vers son \u00e9tat sans d\u00e9formation se fait en oscillations autour le sph\u00e9ro\u00efde.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Les ondes gravitationnelles, qu\u2019est-ce que c\u2019est ? (Futura, 2016).<\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Une \u00ab onde gravitationnelle \u00bb est le ph\u00e9nom\u00e8ne physique qui informe des changements d\u2019une source gravitationnelle (dans l\u2019exemple, la Lune et le Soleil) moyennant un signal qui se propage \u00e0 une vitesse finie et qui induit des oscillations dans la forme des corps trouv\u00e9s sur son chemin (dans l\u2019exemple, les oc\u00e9ans).<\/p>

Dans un sens litt\u00e9ral, les ondes gravitationnelles sont des mar\u00e9es dynamiques en propagation dans l\u2019espace. Ce chant gravitationnel est un chant \u00ab silencieux \u00bb, il s\u2019exprime par les changements des \u00ab formes \u00bb.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Aux origines des ondes gravitationnelles<\/h2>

Quels sont les syst\u00e8mes physiques qui produisent ces mar\u00e9es en propagation ? Autrement dit, quelles sont les \u00ab sources \u00bb de ces ondes ? La r\u00e9ponse est simple : n\u2019importe quel syst\u00e8me dont la \u00ab forme \u00bb change avec le temps est une source des ondes gravitationnelles. \u00c7a peut \u00eatre moi en agitant rapidement mes bras ou un syst\u00e8me binaire des objets compacts astrophysiques.<\/p>

Cela m\u00e8ne \u00e0 un apparent paradoxe : si tout syst\u00e8me qui se d\u00e9forme dans le temps \u00e9met ces ondes, pourquoi ne sommes-nous pas entour\u00e9s par ces mar\u00e9es qui d\u00e9forment \u00e0 leur tour tout objet trouv\u00e9 sur leur chemin ? En r\u00e9alit\u00e9, elles sont bien l\u00e0 mais trop faibles pour \u00eatre perceptibles. C\u2019est le cas de moi quand j\u2019agite mes bras. Seuls des objets tr\u00e8s massifs ou avec des vitesses comparables \u00e0 celle de la lumi\u00e8re, sont capables de produire des signaux appr\u00e9ciables, comme la binaire d\u2019objets compacts.<\/p>

Par cons\u00e9quent, il nous faut regarder au-del\u00e0 de la Terre pour identifier les bonnes sources. Et c\u2019est ici que les trous noirs binaires, avec leurs grandes masses et leurs vitesses orbitales proches \u00e0 celle de la lumi\u00e8re, entrent en sc\u00e8ne.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Percer le silence gravitationnel<\/h2>

Revenons maintenant sur notre affirmation initiale qui avan\u00e7ait la capacit\u00e9 des binaires des trous noirs \u00e0 \u00ab chanter \u00bb.<\/p>

En fait, toutes les \u00e9toiles binaires \u00ab chantent \u00bb gravitationnellement, mais seules celles constitu\u00e9es d\u2019objets tr\u00e8s compacts (trous noirs, \u00e9toiles \u00e0 neutrons, naines blanches\u2026) chantent \u00ab assez fort \u00bb. Les autres font r\u00e9sonner leur m\u00e9lodie trop \u00ab bas \u00bb pour qu\u2019on les d\u00e9tecte : si tous les chants des syst\u00e8mes binaires sont \u00ab silencieux \u00bb, certains le sont plus que d\u2019autres\u2026<\/p>

C\u2019est donc gr\u00e2ce \u00e0 un v\u00e9ritable tour de force technologique que les astrophysiciens sont parvenus \u00e0 percer ce \u00ab silence gravitationnel \u00bb. La mise au point des interf\u00e9rom\u00e8tres Laser, v\u00e9ritables antennes gravitationnelles, a permis la d\u00e9tection directe de ces ondes et l\u2019acc\u00e8s \u00e0 leur information astrophysique et cosmologique.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Un r\u00e9seau d\u2019interf\u00e9rom\u00e8tres sur la Terre<\/h2>

Ces interf\u00e9rom\u00e8tres sont form\u00e9s par deux \u00ab bras \u00bb perpendiculaires d\u2019exactement la m\u00eame longueur, soumis \u00e0 oscillations (\u00e9tirements et compressions) lorsqu\u2019une onde gravitationnelle les traverse. \u00ab L\u2019interf\u00e9rom\u00e9trie \u00bb optique permet de mesurer de mani\u00e8re tr\u00e8s pr\u00e9cise le changement relatif dans la longueur de ces bras, identifiant alors le passage d\u2019une onde.<\/p>

\u00c9tant donn\u00e9 que ces ondes gravitationnelles sont des ph\u00e9nom\u00e8nes de mar\u00e9e et que leur effet est d\u2019autant plus fort que la taille de l\u2019objet d\u00e9form\u00e9 est grande, les bras des interf\u00e9rom\u00e8tres font plusieurs kilom\u00e8tres (4 km dans LIGO aux \u00c9tats-Unis).<\/p>

Aujourd\u2019hui, il existe un r\u00e9seau d\u2019interf\u00e9rom\u00e8tres \u00e9tendu sur la Terre, dont le fonctionnement simultan\u00e9 est crucial pour l\u2019analyse de ces ondes. Pour \u00e9tudier les objets les plus massifs, comme des trous noirs aux centres galactiques, il faudra construire des interf\u00e9rom\u00e8tres \u00e0 l\u2019espace, ce qui est le c\u0153ur du programme spatial Lisa. Nous avons d\u00e9sormais des oreilles interf\u00e9rom\u00e9triques pour \u00e9couter et d\u00e9chiffrer le silencieux chant gravitationnel. Et sa m\u00e9lodie est riche.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Un champ de recherches majeur<\/h2>

La d\u00e9couverte des ondes gravitationnelles a \u00e9t\u00e9 un \u00e9v\u00e9nement scientifique de premier ordre qui s\u2019est traduit dans le prix Nobel de physique de 2017<\/a>. En fait, l\u2019\u00e9tude de la gravit\u00e9 vit un moment particuli\u00e8rement doux : trois des cinq derniers prix Nobel ont \u00e9t\u00e9 d\u00e9cern\u00e9s \u00e0 des recherches men\u00e9es dans le cadre de la gravitation.<\/p>

En 2017, ce sont les ondes gravitationnelles qui ont \u00e9t\u00e9 prim\u00e9es, et en 2019 le tour de la cosmologie physique et la d\u00e9couverte des exoplan\u00e8tes. Le prix Nobel de 2020 a consacr\u00e9 quant \u00e0 lui la pr\u00e9diction th\u00e9orique de trous noirs et son observation directe aux centres galactiques.<\/p>

En ce moment, la synergie entre diff\u00e9rentes disciplines est en train de percer de nouveaux horizons en cosmologie, astrophysique et physique fondamentale. En retour, l\u2019univers gravitationnel nous chante pour nous d\u00e9voiler ses myst\u00e8res.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Jos\u00e9 Luis Jaramillo<\/a>, Professeur des Universit\u00e9s, Institut de Math\u00e9matiques de Bourgogne (IMB), Universit\u00e9 de Bourgogne \u2013 UBFC<\/a><\/em><\/p>

Cet article est republi\u00e9 \u00e0 partir de The Conversation<\/a> sous licence Creative Commons.
Lire l\u2019article original<\/a>.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Ondes gravitationnelles : le chant silencieux des trous noirs Duo de trous noirs qui dansent. LIGO\/Caltech\/MIT\/Sonoma State (Aurore Simonnet), CC BY-NC-ND Jos\u00e9 Luis Jaramillo, Universit\u00e9 de Bourgogne \u2013 UBFC Les trous noirs dansent, et quand ils dansent, ils le font en couple. 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