Les humains ont toujours pratiqué une certaine forme d’astronomie. Pendant des milliers d’années, cela signifiait observer seulement la lumière que nos yeux pouvaient voir – sans aide ou avec une variété d’instruments, tels que des astrolabes ou des télescopes. Le 20ème siècle a apporté de nouveaux types de télescopes, qui détectent la lumière que nous ne pouvons pas voir: infrarouge, rayons X, et ainsi de suite.
Aujourd’hui, nous assistons à la genèse d’un tout nouveau type d’astronomie, et celui-ci n’utilise pas la lumière du tout. Il utilise des ondes gravitationnelles.
Les bases
Selon la théorie de la relativité, la gravité agit comme des courants sur l’océan de l’espace-temps, tirant doucement sur les planètes et les étoiles. Les ondes gravitationnelles sont comme les ondulations de cet océan cosmique, produites par des étoiles à neutrons binaires en orbite les unes par rapport aux autres, des explosions de supernova et les spirales de mort des trous noirs avant qu’elles ne se heurtent.
En fait, il est très facile de faire des ondes gravitationnelles. Lève-toi et tourne-toi une fois, et tu as fait une onde gravitationnelle (pathétiquement faible). Mais certaines choses produisent des ondes exceptionnellement puissantes, comme les trois collisions entre les trous noirs détectés par l’observatoire laser à ondes gravitationnelles (LIGO), ainsi qu’une quatrième détection réalisée conjointement par LIGO et son homologue européen Virgo. (Une de ces détections de LIGO seulement est « marginale », ce qui signifie que le signal n’est pas assez bon pour être absolument sûr que c’est une collision de trou noir, mais c’est ici pour l’exhaustivité.)
Dans chaque cas, une paire de trous noirs est entrée en collision et a fusionné dans un plus grand trou noir, mais ils n’ont émis aucune lumière que nous pouvions voir. En d’autres termes, nous n’avons vu ces collisions que parce qu’elles émettaient des ondes gravitationnelles – nous ne pouvions pas compter sur des télescopes ordinaires basés sur la lumière pour nous aider.
En fait, les détections LIGO / Virgo nous ont déjà montré quelque chose de nouveau. Tous les 22 trous noirs de masse stellaire découverts précédemment à l’aide de télescopes à rayons X sont plus légers que 20 fois la masse du Soleil.
En revanche, la plupart des trous noirs LIGO / Vierge sont plus de 20 fois la masse du Soleil, et après les fusions, ils sont devenus encore plus massifs. Le premier signal d’onde gravitationnel que nous avons reçu provenait de deux trous noirs fusionnant pour former un monstre de plus de 60 fois la masse du Soleil.
Ce n’est pas seulement que les trous noirs trouvés en utilisant les ondes gravitationnelles sont plus grands, mais ils semblent aussi entrer en collision plus souvent que les astronomes pensaient. Cela signifie que nous devons comprendre comment ces paires de trous noirs se forment en premier lieu, puisque la plupart des modèles ne parviennent pas à prédire le nombre de collisions massives que nous avons déjà vues.
Une nouvelle ère
C’est pourquoi le nouveau domaine de l’astronomie gravitationnelle est si excitant. Chaque nouvelle méthode que nous développons pour étudier l’univers aboutit à la découverte de quelque chose d’inattendu. Des trous noirs supermassifs, des pulsars, des sursauts gamma et beaucoup d’autres objets ont été découverts grâce à l’invention de nouvelles branches de l’astronomie basée sur la lumière. Ainsi, l’astronomie par ondes gravitationnelles est susceptible d’engendrer d’autres que nous ne pouvons pas prédire aujourd’hui.
Pendant ce temps, le champ ne fait que commencer. LIGO ne fonctionne pas encore à ses capacités maximales, et cette année, c’est la première fois que ses deux détecteurs travaillent en tandem avec Virgo. Lorsque toutes les mises à niveau de l’observatoire auront été effectuées, nous détecterons les ondes gravitationnelles à partir de distances plus lointaines, et capterons les signaux plus faibles plus près de chez nous.
Ces sources plus faibles seront probablement la prochaine grande découverte, et elles seront probablement en collision avec des pulsars – les restes de noyaux super-denses d’étoiles massives. Lorsque ces objets entrent en collision, ils produisent une salve de rayons gamma et beaucoup de lumière visible, mais ils génèrent également des ondes gravitationnelles. Voyant l’action via la lumière et le rayonnement gravitationnel nous donnera des informations supplémentaires que nous ne pouvons pas obtenir d’autres façons.
Du côté plus rare, certaines explosions de supernova sont susceptibles de produire des ondes gravitationnelles détectables. Et puisque nous ne savons pas exactement comment les étoiles explosent, LIGO et Virgo peuvent nous fournir des informations précieuses. Les supernovae font beaucoup de lumière (comme les pulsars en collision), ce qui nous permet d’utiliser plusieurs types d’observations pour étudier le même événement.
Une solution de contournement cosmique
LIGO, Virgo et le futur observatoire japonais KAGRA sont massifs en ce qui concerne les instruments scientifiques. Chacun des détecteurs en forme de L de LIGO a des bras de 4 kilomètres (4 kilomètres) de long, tandis que les bras de Virgo mesurent près de 2 miles (3 kilomètres). Les bras doivent être longs pour s’assurer qu’ils sont sensibles aux ondes gravitationnelles, qui peuvent avoir de grandes longueurs d’onde. LIGO, par exemple, est actuellement le plus sensible aux longueurs d’onde comprises entre 60 et 600 miles (100-1 000 km). Même ainsi, de nombreux objets astronomiques produisent des ondes gravitationnelles trop grandes pour être captées par les détecteurs. C’est parce que les ondes gravitationnelles sont souvent comparables à la taille physique de leur source.
Par exemple, une paire de trous noirs supermassifs en orbite pourrait produire des vagues aussi grandes que le système solaire, que nous ne pouvons pas détecter. Cependant, l’univers fournit des moyens d’observer ces ondes gravitationnelles sous la forme de pulsars, qui clignotent aussi précisément que certaines de nos horloges les plus précises. Lorsque les ondes gravitationnelles traversent l’espace occupé par ces pulsars, elles s’étendent et pressent cet espace, affectant la longueur d’onde et le timing des signaux des pulsars lorsqu’ils atteignent finalement la Terre. Les astronomes peuvent précisément mesurer ces différences temporelles en utilisant des radiotélescopes, comme Arecibo à Porto Rico.
Maintenant, les astronomes font des observations de pulsars répandus dans le ciel – un « réseau de synchronisation de pulsar » – pour essayer de repérer les différences de temps causées par les ondes gravitationnelles. Jusqu’à présent, ces observations n’ont pas révélé de signaux. Mais, parce qu’il faut de nombreuses années pour obtenir suffisamment de données, il est probable que ce soit une question de temps avant de repérer les empreintes digitales des ondes gravitationnelles sur les impulsions que nous recevons. Pendant ce temps, les astronomes gravitationnels conçoivent constamment de nouveaux instruments et réfléchissent à de nouvelles façons d’observer l’invisible.
Parce que c’est vraiment ce dont il s’agit. Nous savons que les ondes gravitationnelles existent et ont maintenant démontré que nos idées de base à leur sujet sont correctes. La prochaine étape est de continuer: de voir avec gravité ce que nous ne pouvons pas voir avec la lumière. La gravité nous permet de regarder les trous noirs et les étoiles à neutrons entrer en collision, regarder dans les coeurs des étoiles mourantes et voir – peut-être juste – quelque chose que nous n’avons jamais vu auparavant.
La Source: http://bit.ly/2yn93VN
