11 février 2016 – Des physiciens annoncent avoir détecté les ondes gravitationnelles d'Einstein

Le CERN félicite les découvreurs des ondes gravitationnelles Les scientifiques font la première détection directe des ondes gravitationnellesLe signal LIGO révèle la première observation de deux trous noirs massifs en collision, donne raison à Einstein.Les deux observatoires LIGO annoncent avoir découvert des ondes gravitationnelles pour la première fois. Albert Einstein prédisait l’existence de ces oscillations de la courbure de l’espace-temps dès 1916 dans sa théorie de la relativité générale.Le 11 février, à 16h30, les collaborations Ligo et Virgo ont annoncé avoir détecté des ondes gravitationnelles, un siècle après leur description par Einstein. C’est un double coup de maître : en détectant pour la première fois ces ondes, les chercheurs ont également observé la première collision entre deux trous noirs. Une nouvelle fenêtre s’ouvre sur l’Univers. Dévoilées par Einstein en 1915, les équations de la relativité générale induisaient l’existence théorique de deux phénomènes inconnus et inobservables à l’époque : les ondes gravitationnelles et les trous noirs. Après une quête de près d’un demi-siècle, les physiciens, et plus particulièrement, depuis 2007, ceux de la collaboration associant les observatoires Ligo (États-Unis) et Virgo (Europe), tiennent enfin leur Graal : la première observation directe d’une onde gravitationnelle causée par la collision de deux trous noirs. Cette découverte annoncée le 11 février ne constitue pas seulement une validation supplémentaire de la théorie d’Einstein, elle fait aussi entrer l’astronomie dans une nouvelle ère en lui procurant un messager de plus pour observer les phénomènes les plus violents de l’Univers. US researchers prove Albert Einstein's theory about ripples in space-time | Daily Sabah Il y a très longtemps, dans une galaxie très très lointaine, deux trous noirs qui tournaient l’un autour de l’autre et pesaient chacun environ 30 soleils ont fini par se rencontrer à 200 000 kilomètres/seconde (les deux tiers de la vitesse de la lumière !) et fusionner. Un phénomène appelé coalescence. Cet événement cataclysmique, baptisé GW150914, a, en une fraction de seconde, converti en ondes gravitationnelles une énergie équivalant à trois fois la masse du Soleil. OzGrav: Turning Einstein's Imagination Into Reality Deux observations simultanéesCe sont ces ondes, générées à plus d’un milliard d’années-lumière de la Terre, que les deux interféromètres laser géants de Ligo – l’un situé en Louisiane, l’autre à 3 000 kilomètres, dans l’État de Washington – ont observé simultanément le 14 septembre 2015 à 11 h 51. « Cette double détection et la force du signal enregistré assurent qu’il ne s’agit pas d’une fausse alarme, précise Benoît Mours, chercheur au Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (Lapp) et responsable scientifique du projet Virgo en France. Selon nos vérifications, un bruit aléatoire mimant GW150914 est si peu probable qu’il ne pourrait se produire qu’au plus une fois tous les 200 000 ans ! » Gravitational Waves Will Help Reveal the Beginning of Time Cette observation directe est d’abord une confirmation éclatante de la validité de la théorie de la relativité générale et de l’une de ses prédictions les plus révolutionnaires. C’est aussi une prouesse technique sachant qu’Einstein lui-même pensait que les déformations de l’espace-temps dues aux ondes gravitationnelles étaient si ténues qu’elles ne pourraient jamais être détectées directement.

Ondes gravitationnelles : les détecteurs de l’extrême

« Pour l’astrophysique, cette découverte est un peu ce qu’a été celle du boson de Higgs pour la physique des particules, explique Tania Regimbau, astrophysicienne dans le groupe Virgo-Artemis. Et ce tant par la manière – une collaboration internationale de plusieurs années rassemblant des centaines de chercheurs –, que par le résultat – la validation expérimentale d’une théorie centenaire ouvrant la voie à une nouvelle astronomie. »

Les scientifiques font la première détection directe des ondes gravitationnelles Le signal LIGO révèle la première observation de deux trous noirs massifs en collision, donne raison à Einstein.Il y a plus de 100 ans aujourd’hui, Albert Einstein a prédit l’existence d’ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l’espace-temps déclenchées par des cataclysmes cosmiques extrêmement violents dans l’univers primitif. Avec sa connaissance de l’univers et de la technologie disponible en 1916, Einstein a supposé que de telles ondulations seraient « extrêmement petites » et presque impossibles à détecter. Les découvertes astronomiques et les avancées technologiques du siècle dernier ont changé ces perspectives.Maintenant, pour la première fois, des scientifiques de la collaboration scientifique LIGO – avec un rôle de premier plan joué par des chercheurs du MIT et de Caltech – ont observé directement les ondulations des ondes gravitationnelles dans un instrument sur Terre. Ce faisant, ils ont de nouveau confirmé de manière spectaculaire la théorie de la relativité générale d’Einstein et ouvert une nouvelle façon de voir l’univers.

Mais il y a plus : les scientifiques ont également décodé le signal d’onde gravitationnelle et déterminé sa source. Selon leurs calculs, l’onde gravitationnelle est le produit d’une collision entre deux trous noirs massifs, distants de 1,3 milliard d’années-lumière – un événement remarquablement extrême qui n’a pas été observé jusqu’à présent. The new frontier of gravitational waves | Nature Les chercheurs ont détecté le signal avec l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) – des détecteurs jumeaux soigneusement construits pour détecter des vibrations incroyablement minuscules du passage des ondes gravitationnelles. Une fois que les chercheurs ont obtenu un signal gravitationnel, ils l’ont converti en ondes audio et ont écouté le son de deux trous noirs en spirale ensemble, puis fusionnant en un seul trou noir plus grand.

« En fait, nous les entendons cogner dans la nuit », déclare Matthew Evans, professeur adjoint de physique au MIT. « Nous recevons un signal qui arrive sur Terre, et nous pouvons le mettre sur un haut-parleur, et nous pouvons entendre ces trous noirs faire, ‘Whoop.’ Il y a un lien très viscéral avec cette observation. Vous écoutez vraiment ces choses qui auparavant étaient en quelque sorte fantastiques. ESA - The spectrum of gravitational waves En analysant davantage le signal gravitationnel, l’équipe a pu retracer les dernières millisecondes avant la collision des trous noirs. Ils ont déterminé que les trous noirs, 30 fois plus massifs que notre soleil, tournaient autour à une vitesse proche de la vitesse de la lumière avant de fusionner lors d’une collision et de dégager une énorme quantité d’énergie équivalente à environ trois masses solaires – selon l’équation d’Einstein E =mc ² — sous forme d’ondes gravitationnelles. Scientists have finally proven Einstein's century-old theory about gravitational waves - The Verge « La majeure partie de cette énergie est libérée en quelques dixièmes de seconde seulement », explique Peter Fritschel, scientifique en chef des détecteurs de LIGO et chercheur principal à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Pendant très peu de temps, la puissance réelle des ondes gravitationnelles était supérieure à toute la lumière de l’univers visible. »

Ces ondes se sont ensuite propagées à travers l’univers, déformant efficacement le tissu de l’espace-temps, avant de traverser la Terre plus d’un milliard d’années plus tard sous la forme de faibles traces de leurs anciennes origines violentes. Gravitational wave detection: how binary stars turn into tight pairs of massive black holes | University of Oxford « C’est un signal spectaculaire », déclare Rainer Weiss, professeur émérite de physique au MIT. « C’est un signal que beaucoup d’entre nous ont voulu observer depuis le moment où LIGO a été proposé. Il montre la dynamique des objets dans les champs gravitationnels les plus forts imaginables, un domaine où la gravité de Newton ne fonctionne pas du tout, et on a besoin des équations de champ d’Einstein entièrement non linéaires pour expliquer les phénomènes. Le triomphe est que la forme d’onde que nous mesurons est très bien représentée par les solutions de ces équations. Einstein a raison dans un régime où sa théorie n’a jamais été testée auparavant.Les nouveaux résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters.

« Magnifiquement dans l’alignement »La première preuve d’ondes gravitationnelles est venue en 1974, lorsque les physiciens Russell Hulse et Joseph Taylor ont découvert une paire d’étoiles à neutrons, à 21 000 années-lumière de la Terre, qui semblaient se comporter selon un curieux schéma. Ils en ont déduit que les étoiles tournaient les unes autour des autres de telle manière qu’elles devaient perdre de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles – une détection qui a valu aux chercheurs le prix Nobel de physique en 1993.

Maintenant LIGO a fait la première observation directe des ondes gravitationnelles avec un instrument sur Terre. Les chercheurs ont détecté les ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015 à 5 h 51 HAE, à l’aide des interféromètres jumeaux LIGO, situés à Livingston, en Louisiane et à Hanford, dans l’État de Washington. Galaxies | Free Full-Text | Relativistic Aspects of Accreting Supermassive Black Hole Binaries in Their Natural Habitat: A Review Chaque interféromètre en forme de L s’étend sur 4 kilomètres de long et utilise une lumière laser divisée en deux faisceaux qui vont et viennent à travers chaque bras, rebondissant entre des miroirs configurés avec précision. Chaque faisceau surveille la distance entre ces miroirs, qui, selon la théorie d’Einstein, changera à l’infini lorsqu’une onde gravitationnelle passe devant l’instrument. Measuring the Age of the Universe With Gravitational Waves « Vous pouvez presque le visualiser comme si vous laissiez tomber une pierre à la surface d’un étang, et l’ondulation s’éteint », explique Nergis Malvalvala, professeur d’astrophysique Curtis et Kathleen Marble au MIT. « [C’est] quelque chose qui déforme l’espace-temps qui l’entoure, et cette distorsion se propage vers l’extérieur et nous atteint sur Terre, des centaines de millions d’années plus tard. »

En mars dernier, les chercheurs ont effectué des mises à niveau majeures des interféromètres, appelés Advanced LIGO, augmentant la sensibilité des instruments et leur permettant de détecter un changement de longueur de chaque bras, inférieur à un dix millième du diamètre d’un proton. En septembre, ils étaient prêts à commencer à observer avec eux.

« L’effet que nous mesurons sur Terre équivaut à mesurer la distance à l’étoile la plus proche, Alpha du Centaure, à quelques microns près », explique Evans. « C’est une mesure très difficile à faire. Einstein s’attendait à ce que cela n’ait jamais été réalisé.

Néanmoins, un signal est passé. À l’aide des équations d’Einstein, l’équipe a analysé le signal et déterminé qu’il provenait d’une collision entre deux trous noirs massifs. Record number of new gravitational waves offers game-changing window into universe | Space | The Guardian « Nous pensions que ce serait un énorme défi de prouver à nous-mêmes et aux autres que les premiers signaux que nous avons vus n’étaient pas seulement des coups de chance et des bruits aléatoires », déclare David Shoemaker, directeur du laboratoire MIT LIGO. « Mais la nature a été incroyablement gentille en nous transmettant un signal très large, extrêmement facile à comprendre et absolument, magnifiquement aligné sur la théorie d’Einstein. »

Pour les centaines de scientifiques de LIGO, cette nouvelle détection d’ondes gravitationnelles marque non seulement l’aboutissement d’une recherche de plusieurs décennies, mais aussi le début d’une nouvelle façon de regarder l’univers.

« Cela ouvre vraiment un tout nouveau domaine pour l’astrophysique », déclare Evans. «Nous regardons toujours le ciel avec des télescopes et recherchons des rayonnements électromagnétiques comme la lumière, les ondes radio ou les rayons X. Désormais, les ondes gravitationnelles sont une toute nouvelle façon de connaître l’univers qui nous entoure.

Détection minuscule, gain énorme

La recherche LIGO est menée par la LIGO Scientific Collaboration (LSC), un groupe de quelque 950 scientifiques dans des universités des États-Unis, y compris le MIT, et dans 15 autres pays. Les observatoires LIGO sont exploités par le MIT et Caltech. Les instruments ont d’abord été explorés comme moyen de détecter les ondes gravitationnelles dans les années 1970 par Weiss, qui, avec Kip Thorne et Ronald Drever de Caltech, a proposé LIGO dans les années 1980.

« Cela a représenté 20 ans de travail, et pour certains d’entre nous, encore plus », déclare Evans. « Cela fait longtemps que je travaille sur ces détecteurs, sans rien voir. C’est donc un véritable changement radical et un changement psychologique intéressant pour toute la collaboration.

« Le projet représente un triomphe pour la recherche financée par le gouvernement fédéral », déclare Maria Zuber, vice-présidente pour la recherche et professeur EA Griswold de géophysique au MIT. « LIGO est un exemple d’investissement à haut risque et à haut rendement dans la science axée sur la découverte. Dans ce cas, l’investissement a été important et soutenu pendant de nombreuses années, avec un succès loin d’être assuré. Mais les retombées scientifiques s’annoncent extraordinaires. Alors que les découvertes rapportées ici sont déjà magnifiques, elles représentent la pointe de l’iceberg de ce qui sera appris sur la physique fondamentale et la nature de l’univers.Les observatoires LIGO sont dus pour plus de mises à niveau dans un proche avenir. Actuellement, les instruments fonctionnent à un tiers de leur sensibilité projetée. Une fois qu’elles seront pleinement optimisées, Shoemaker prédit que les scientifiques seront capables de détecter les ondes gravitationnelles émanant « des confins de l’univers ».

« Dans quelques années, lorsque cela sera entièrement mis en service, nous devrions voir des événements provenant de toute une variété d’objets : trous noirs, étoiles à neutrons, supernova, ainsi que des choses que nous n’avons pas encore imaginées, à la fréquence d’une fois par jour. ou une fois par semaine, selon le nombre de surprises disponibles. Cordonnier dit. « C’est notre rêve, et jusqu’à présent, nous n’avons aucune raison de savoir que ce n’est pas vrai. »

#OTD in 2016, NSF’s @LIGO announced that we had found proof of gravitational waves – ripples in the fabric of space-time from the distant merger of black holes. This amazing feat proved Einstein was right!https://t.co/ZHwL6HkCJ7

📹: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project pic.twitter.com/6PDF4668s6

— National Science Foundation (@NSF) February 11, 2023

Quant à ce nouveau signal gravitationnel, Weiss, qui a inventé pour la première fois la conception rudimentaire de LIGO dans les années 1970 dans le cadre d’un exercice expérimental pour l’un de ses cours du MIT, considère la minuscule détection comme un gain énorme.

« C’est la première preuve réelle que nous ayons vue maintenant de forces de champ gravitationnelles élevées : des choses monstrueuses comme des étoiles, se déplaçant à la vitesse de la lumière, se heurtant les unes aux autres et transformant la géométrie de l’espace-temps en une sorte de lavage. machine », dit Weiss. « Et cette chose horriblement forte a produit un très petit effet dans notre appareil, un mouvement relatif de 10 à moins 18 mètres entre les miroirs dans les bras de l’interféromètre. C’est en quelque sorte incroyable d’y penser.Cette recherche a été financée par la National Science Foundation.

Remonter l’histoire de l’Univers En effet, 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 encore plus loin dans l’histoire de l’Univers. Le redémarrage en 2016 du détecteur Advanced Virgo en Italie, dont les données seront combinées avec celles de Ligo, fournira aux chercheurs un observatoire gravitationnel capable d’identifier et de localiser encore plus précisément les sources de ces précieuses ondes. Kagra au Japon devrait compléter ce réseau vers 2018. Ces instruments seront ensuite rejoints, vers 2030, par eLISA, un ensemble de trois satellites qui constitueront un interféromètre avec l’ambition de détecter directement les ondes gravitationnelles issues du Big Bang. L’ère de l’astronomie gravitationnelle est née.

Félicitations à LIGO et VIRGO pour la toute première détection directe d’ondes gravitationnellesLe CERN adresse ses félicitations à LIGO après l’annonce de la toute la première observation d’ondes gravitationnelles, 100 ans après la prédiction de leur existence par Albert Einstein. Le signal des ondes gravitationnelles a été enregistré par l’observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory), aux États-Unis, et analysé par un groupe international de scientifiques, dont font partie des équipes de CalTech, du MIT, de la collaboration scientifique LIGO* et de la collaboration européenne Virgo. Parmi les prédictions de la théorie de la relativité générale d’Einstein, le seul élément à n’avoir pas encore été observé était la trace directe de l’existence des ondes gravitationnelles. Einstein avait prédit que les masses déforment l’espace-temps et que tout changement de leur position entraîne par conséquent une distorsion se propageant à la vitesse de la lumière, autrement dit des ondes gravitationnelles. Pour lui, ces ondulations étaient trop faibles pour être jamais détectées ; jusqu’à aujourd’hui, c’était vrai. La collaboration scientifique LIGO et la collaboration Virgo exploitent trois observatoires suffisamment sensibles pour détecter des ondes gravitationnelles, lesquelles seraient causées par des événements violents survenant dans l’Univers, comme des explosions d’étoiles ou des collisions entre des trous noirs.

LIGO compte deux sites aux États-Unis, distants de plusieurs milliers de kilomètres l’un de l’autre : l’observatoire Hanford à Washington et l’observatoire Livingston en Louisiane. Ces deux observatoires fonctionnent à l’unisson, ce qui permet d’augmenter la sensibilité de l’installation et de débarrasser le signal des vibrations locales, afin d’éviter que celles-ci ne soient confondues avec des ondes gravitationnelles.

Sur chaque site sont installés deux tubes de quatre kilomètres de long chacun, disposés de manière à former un « L » et protégés par une enceinte en béton, qui bloque les interférences venant du monde extérieur. Une série de miroirs et de lasers, placés à l’intérieur des tubes, mesurent leur longueur, qui change très légèrement si une onde gravitationnelle les traverse. Les interféromètres de LIGO ont récemment été améliorés, ce qui a multiplié par trois la sensibilité des détecteurs, et ils n’ont recommencé à prendre des mesures qu’en septembre 2015. Juste après leur remise en service, les deux interféromètres ont détecté le même signal, au même moment : celui dont il est question aujourd’hui. On estime qu’il a été produit par la collision cataclysmique, à environ 1 milliard d’années-lumière de la Terre, de deux trous noirs ayant des masses de 36 et de 29 fois celle du Soleil. La collaboration européenne Virgo exploite un observatoire du même type à Cascina, près de Pise (Italie). Cet interféromètre est actuellement à l’arrêt en raison d’importants travaux d’amélioration. Il sera remis en service plus tard dans l’année.