En février 2016, les scientifiques de l'Observatoire des ondes gravitationnelles des interféromètres laser (LIGO) ont marqué l'histoire en annonçant la toute première détection d'ondes gravitationnelles. Depuis lors, plusieurs détections ont eu lieu et les collaborations scientifiques entre les observatoires - comme Advanced LIGO et Advanced Virgo - permettent des niveaux de sensibilité et de partage de données sans précédent.
Non seulement la première détection d'ondes gravitationnelles était une réalisation historique, mais elle a inauguré une nouvelle ère de l'astrophysique. Il n'est donc pas étonnant que les trois chercheurs qui ont joué un rôle central dans la première détection aient reçu le prix Nobel de physique 2017. Le prix a été décerné conjointement aux professeurs émérites de Caltech Kip S. Barish, ainsi qu'au professeur émérite du MIT Rainer Weiss.
Pour le dire simplement, les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps qui sont formées par des événements astronomiques majeurs - tels que la fusion d'une paire de trous noirs binaires. Ils ont été prédits pour la première fois il y a plus d'un siècle par la Théorie de la Relativité Générale d'Einstein, qui indiquait que des perturbations massives altéreraient la structure de l'espace-temps. Cependant, ce n'est que ces dernières années que des signes de ces vagues ont été observés pour la première fois.
Le premier signal a été détecté par les observatoires jumeaux du LIGO - à Hanford, Washington et Livingston, en Louisiane, respectivement - et retracé à une fusion de taupes noires à 1,3 milliard d'années-lumière. À ce jour, quatre détections ont été effectuées, toutes dues à la fusion de paires de trous noirs. Celles-ci ont eu lieu le 26 décembre 2015, le 4 janvier 2017 et le 14 août 2017, les dernières étant détectées par LIGO et le détecteur européen d'ondes gravitationnelles Vierge.
Pour le rôle qu'ils ont joué dans cette réalisation, la moitié du prix a été décernée conjointement à Barry C. Barish de Caltech - le professeur de physique Ronald et Maxine Linde, émérite - et Kip S. Thorne, le professeur Richard P. Feynman de physique théorique , Émérite. L'autre moitié a été décernée à Rainer Weiss, professeur émérite de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Comme l'a déclaré Thomas F. Rosenbaum, président de Caltech - président présidentiel et professeur de physique de Sonja et William Davidow - dans un récent communiqué de presse de Caltech:
«Je suis ravi et honoré de féliciter Kip et Barry, ainsi que Rai Weiss du MIT, pour l'attribution ce matin du prix Nobel de physique 2017. La première observation directe des ondes gravitationnelles par LIGO est une extraordinaire démonstration de vision scientifique et de persistance. Grâce à quatre décennies de développement d'une instrumentation d'une sensibilité exquise - repoussant la capacité de nos imaginations - nous sommes maintenant en mesure d'entrevoir des processus cosmiques qui étaient auparavant indétectables. C'est vraiment le début d'une nouvelle ère en astrophysique. »
Cette réalisation est d'autant plus impressionnante que Albert Einstein, qui a d'abord prédit leur existence, pense que les ondes gravitationnelles seraient trop faibles pour être étudiées. Cependant, dans les années 1960, les progrès de la technologie laser et de nouvelles perspectives sur d'éventuelles sources astrophysiques ont conduit les scientifiques à conclure que ces ondes pouvaient en fait être détectables.
Les premiers détecteurs d'ondes gravitationnelles ont été construits par Joseph Weber, un astrophysicien de l'Université du Maryland. Ses détecteurs, qui ont été construits dans les années 1960, étaient constitués de grands cylindres en aluminium qui seraient entraînés à vibrer en passant des ondes gravitationnelles. D'autres tentatives ont suivi, mais toutes ont échoué; incitant à un changement vers un nouveau type de détecteur impliquant l'interférométrie.
Un tel instrument a été développé par Weiss au MIT, qui s'appuyait sur la technique connue sous le nom d'interférométrie laser. Dans ce type d'instrument, les ondes gravitationnelles sont mesurées à l'aide de miroirs largement espacés et séparés qui réfléchissent les lasers sur de longues distances. Lorsque les ondes gravitationnelles provoquent un étirement et une compression infinitésimales de l'espace, cela provoque un léger déplacement de la lumière réfléchie à l'intérieur du détecteur.
En même temps, Thorne - avec ses étudiants et ses post-doctorants à Caltech - a commencé à travailler pour améliorer la théorie des ondes gravitationnelles. Cela comprenait de nouvelles estimations de la force et de la fréquence des ondes produites par des objets comme les trous noirs, les étoiles à neutrons et les supernovae. Cela a culminé dans un article de 1972 que le Trône a co-publié avec son étudiant, Bill Press, qui résumait leur vision de la façon d'étudier les ondes gravitationnelles.
Cette même année, Weiss a également publié une analyse détaillée des interféromètres et de leur potentiel pour la recherche astrophysique. Dans cet article, il a déclaré que les opérations à plus grande échelle - mesurant plusieurs kilomètres ou plus - pourraient avoir une chance de détecter les ondes gravitationnelles. Il a également identifié les principaux défis à la détection (tels que les vibrations de la Terre) et a proposé des solutions possibles pour les surmonter.
En 1975, Weiss a invité Thorne à parler lors d'une réunion du comité de la NASA à Washington, D.C., et les deux ont passé une nuit entière à parler des expériences gravitationnelles. À la suite de leur conversation, Thorne est retourné à Calteh et a proposé de créer un groupe de gravité expérimental, qui travaillerait sur les interféromètres en parallèle avec des chercheurs du MIT, de l'Université de Glasgow et de l'Université de Garching (où des expériences similaires étaient menées).
Le développement du premier interféromètre a commencé peu de temps après à Caltech, ce qui a conduit à la création d'un prototype de 40 mètres (130 pieds) pour tester les théories de Weiss sur les ondes gravitationnelles. En 1984, tous les travaux menés par ces institutions respectives se sont réunis. Caltech et le MIT, avec le soutien de la National Science Foundation (NSF) ont formé la collaboration LIGO et ont commencé à travailler sur ses deux interféromètres à Hanford et Livingston.
La construction de LIGO a été un défi majeur, à la fois sur le plan logistique et technique. Cependant, les choses ont énormément aidé lorsque Barry Barish (alors physicien des particules à Caltech) est devenu le chercheur principal (PI) de LIGO en 1994. Après une décennie de tentatives au point mort, il a également été nommé directeur de LIGO et a remis sa construction sur les rails. . Il a également élargi l'équipe de recherche et élaboré un plan de travail détaillé pour la NSF.
Comme Barish l'a indiqué, le travail qu'il a fait avec LIGO était en quelque sorte un rêve devenu réalité:
«J'ai toujours voulu être un physicien expérimental et j'ai été attiré par l'idée d'utiliser les progrès continus de la technologie pour réaliser des expériences de science fondamentale qui ne pourraient pas être faites autrement. LIGO est un excellent exemple de ce qui ne pouvait pas être fait auparavant. Bien qu'il s'agisse d'un projet à très grande échelle, les défis étaient très différents de la façon dont nous construisons un pont ou réalisons d'autres grands projets d'ingénierie. Pour LIGO, le défi était et reste de savoir comment développer et concevoir une instrumentation avancée à grande échelle, alors même que le projet évolue. »
En 1999, la construction s'était achevée sur les observatoires du LIGO et en 2002, le LIGO a commencé à obtenir des données. En 2008, les travaux ont commencé pour améliorer ses détecteurs d'origine, appelés Advanced LIGO Project. Le processus de conversion du prototype de 40 m en interféromètres actuels de 4 km (2,5 mi) de LIGO a été une entreprise colossale et a donc dû être décomposé en plusieurs étapes.
La première étape a eu lieu entre 2002 et 2010, lorsque l'équipe a construit et testé les interféromètres initiaux. Bien que cela n'ait entraîné aucune détection, il a démontré les concepts de base de l'observatoire et a résolu de nombreux obstacles techniques. La phase suivante - appelée Advanced LIGO, qui s'est déroulée entre 2010 et 2015 - a permis aux détecteurs d'atteindre de nouveaux niveaux de sensibilité.
Ces mises à niveau, qui ont également eu lieu sous la direction de Barish, ont permis le développement de plusieurs technologies clés qui ont finalement permis la première détection. Comme Barish l'a expliqué:
«Dans la phase initiale de LIGO, afin d'isoler les détecteurs du mouvement de la Terre, nous avons utilisé un système de suspension qui consistait en des miroirs de masse d'essai suspendus par une corde à piano et avons utilisé un ensemble d'amortisseurs passifs à plusieurs niveaux, similaires à ceux dans votre voiture. Nous savions que cela ne serait probablement pas suffisant pour détecter les ondes gravitationnelles, nous avons donc, au laboratoire LIGO, développé un programme ambitieux pour Advanced LIGO qui incorporait un nouveau système de suspension pour stabiliser les miroirs et un système d'isolation sismique actif pour détecter et corriger les mouvements du sol. "
Étant donné le rôle central de Thorne, Weiss et Barish dans l'étude des ondes gravitationnelles, les trois ont été à juste titre reconnus comme les lauréats du prix Nobel de physique cette année. Thorne et Barish ont été avisés qu'ils avaient gagné tôt le matin du 3 octobre 2017. En réponse à la nouvelle, les deux scientifiques étaient sûrs de reconnaître les efforts continus du LIGO, des équipes scientifiques qui y ont contribué, et du les efforts de Caltech et du MIT pour créer et maintenir les observatoires.
"Le prix appartient à juste titre aux centaines de scientifiques et d'ingénieurs du LIGO qui ont construit et perfectionné nos interféromètres à ondes gravitationnelles complexes, et aux centaines de scientifiques du LIGO et de la Vierge qui ont trouvé les signaux d'ondes gravitationnelles dans les données bruyantes du LIGO et extrait les informations des vagues, »A déclaré Thorne. «Il est regrettable qu'en raison des statuts de la Fondation Nobel, le prix doive aller à trois personnes au maximum, alors que notre merveilleuse découverte est l'œuvre de plus d'un millier.»
«Je suis honoré et honoré de recevoir ce prix», a déclaré Barish. «La détection des ondes gravitationnelles est vraiment un triomphe de la physique expérimentale moderne à grande échelle. Pendant plusieurs décennies, nos équipes de Caltech et du MIT ont développé LIGO en un appareil incroyablement sensible qui a fait la découverte. Lorsque le signal a atteint LIGO à la suite d'une collision de deux trous noirs stellaires survenue il y a 1,3 milliard d'années, la collaboration scientifique LIGO, forte de 1 000 scientifiques, a pu à la fois identifier l'événement candidat en quelques minutes et effectuer une analyse détaillée qui a démontré de manière convaincante que les ondes gravitationnelles exister."
Pour l'avenir, il est également assez clair que Advanved LIGO, Advanced Virgo et d'autres observatoires d'ondes gravitationnelles dans le monde ne font que commencer. En plus d'avoir détecté quatre événements distincts, des études récentes ont indiqué que la détection des ondes gravitationnelles pourrait également ouvrir de nouvelles frontières pour la recherche astronomique et cosmologique.
Par exemple, une étude récente d’une équipe de chercheurs du Monash Center for Astrophysics a proposé un concept théorique appelé «mémoire orpheline». Selon leurs recherches, les ondes gravitationnelles provoquent non seulement des ondes dans l'espace-temps, mais laissent des ondulations permanentes dans sa structure. En étudiant les «orphelins» d'événements passés, les ondes gravitationnelles peuvent être étudiées à la fois lorsqu'elles atteignent la Terre et longtemps après leur passage.
De plus, une étude a été publiée en août par une équipe d'astronomes du Center of Cosmology de l'Université de Californie à Irvine qui a indiqué que les fusions de trous noirs sont beaucoup plus courantes que nous ne le pensions. Après avoir effectué une étude du cosmos destinée à calculer et à catégoriser les trous noirs, l'équipe UCI a déterminé qu'il pourrait y avoir jusqu'à 100 millions de trous noirs dans la galaxie.
Une autre étude récente a indiqué que le réseau de détecteurs d'ondes gravitationnelles Advanced LIGO, GEO 600 et Virgo pourrait également être utilisé pour détecter les ondes gravitationnelles créées par les supernovae. En détectant les ondes créées par les étoiles qui explosent vers la fin de leur durée de vie, les astronomes pourraient être en mesure de voir à l'intérieur du cœur des étoiles qui s'effondrent pour la première fois et sonder la mécanique de la formation des trous noirs.
Le prix Nobel de physique est l'un des plus hauts honneurs qui puisse être décerné à un scientifique. Mais encore plus que cela, nous savons que de grandes choses résultent de notre propre travail. Des décennies après que Thorne, Weiss et Barish ont commencé à proposer des études sur les ondes gravitationnelles et à travailler à la création de détecteurs, les scientifiques du monde entier font des découvertes profondes qui révolutionnent notre façon de penser l'Univers.
Et comme ces scientifiques l'attesteront sûrement, ce que nous avons vu jusqu'à présent n'est que la pointe de l'iceberg. On peut imaginer que quelque part, Einstein rayonne également de fierté. Comme pour d'autres recherches relatives à sa théorie de la relativité générale, l'étude des ondes gravitationnelles démontre que même après un siècle, ses prédictions étaient toujours en marche!
Et n'oubliez pas de regarder cette vidéo de la conférence de presse de Caltech où Barish et Thorn ont été honorés pour leurs réalisations:
