Des ondes qui font osciller l'espace temps

Plusieurs instruments (souterrain, terrestre et spatial) doivent démontrer l’existence des ondes gravitationnelles, prédites par Einstein

Cent ans tout juste après la présentation de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein, le 25 novembre 1915, l’une de ses prédictions les plus audacieuses n’a toujours pas été vérifiée de manière directe. Dès 1918, le physicien avait prévu l’existence d’ondes gravitationnelles qui se forment quand une masse très pesante est accélérée, et qui se propagent dans l’univers, à la manière des rides à la surface d’un étang. Concrètement, cela signifie que lorsqu’une onde gravitationnelle arrive quelque part, l’espace-temps oscille: la distance qui sépare deux masses libres de bouger varie en rythme avec la fréquence de cette onde. Reste à la mesurer. Ce sera l’objectif de l’observatoire spatial européen eLisa, qui devrait être lancé vers la fin des années 2020. Le 2 décembre prochain, l’Agence spatiale européenne (ESA) enverra dans l’espace depuis Kourou (Guyane française) la sonde Lisa Pathfinder, afin de tester les technologies nécessaires.

Déjà, une preuve indirecte de l’existence des ondes gravitationnelles a été donnée par Joseph Hooton Taylor et son étudiant Russell Alan Hulse. Les deux physiciens américains ont découvert, en 1974, un groupe de deux étoiles très proches l’une de l’autre, qui émettent un signal radio périodique. En étudiant ces signaux avec le radiotélescope d’Arecibo (Porto Rico), ils en ont déduit que ce «pulsar binaire» perd de l’énergie, dans une proportion qui correspond à la quantité d’énergie transformée en ondes gravitationnelles, confirmant ainsi de manière indirecte leur existence.

Tâche difficile

En revanche, jamais personne n’a pu encore observer ces ondes de manière directe, par exemple en mesurant l’oscillation de la distance entre deux masses, à l’image de celle entre deux bouées à la surface d’une étendue d’eau soumise à des vagues. Et pour cause. Pour que l’amplitude d’une onde gravitationnelle soit significative, il faut que la source soit extrêmement pesante et qu’elle subisse une accélération extraordinaire. Des conditions que seuls de puissants événements astrophysiques peuvent réunir. Par exemple deux étoiles en train de se rapprocher, comme le pulsar binaire de Taylor-Hulse. Ou deux trous noirs supermassifs en train de fusionner.

C’est pour cette raison que les physiciens ont bâti de gigantesques instruments, que l’on appelle des interféromètres: l’un baptisé Ligo, construit à deux exemplaires aux Etats-Unis, et l’autre – quasi identique – nommé Virgo (Italie-France). Ces instruments tentent de mesurer d’infimes variations de distance entre deux masses distantes de plusieurs kilomètres, en l’occurrence des miroirs suspendus. Entrés en service en 2002 (Ligo) et 2007 (Virgo), ces interféromètres viennent d’être reconditionnés, afin d’augmenter leur sensibilité. Mais leur tâche ne sera pas facile: suivant que l’on est optimiste ou pessimiste, la probabilité de voir l’onde gravitationnelle provenant d’un pulsar binaire est comprise entre une observation tous les dix jours et une tous les 600 ans!

Contributions suisses

Si l’expérience terrestre ne livre pas de résultats probants, les physiciens iront les chercher dans le ciel. L’Europe ambitionne de lancer, vers 2030, l’interféromètre spatial eLisa, dérivé du projet Lisa, imaginé puis abandonné par la NASA pour des raisons budgétaires. eLisa sera chargé de détecter les ondes gravitationnelles en mesurant l’oscillation de la distance de masses placées sur deux sondes espacées d’un million de kilomètres, une dimension irréalisable sur Terre. Avant d’en arriver là, l’ESA doit s’assurer que ses technologies fonctionnent comme prévu dans l’espace. C’est ce rôle d’éclaireur qui a été confié à la sonde Lisa Pathfinder, dont le lancement est prévu mercredi à l’aube.

Réalisé sous l’égide d’Airbus Defence & Space, ce satellite de 420 kg emporte deux petits cubes de 1,96 kg en alliage or-platine, qui flotteront librement, espacés de seulement 38 cm, afin de tester une batterie de technologies et de capteurs. Un galop d’essai qui reposera sur plusieurs équipements suisses: les systèmes d’arrimage et de mise en lévitation des masses et des capteurs ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre l’Ecole polytechnique fédérale et l’Université de Zurich. Et l’entreprise Ruag Space a fabriqué la structure en carbone du module scientifique, son isolation thermique, ainsi que le système de séparation du satellite et de son propulseur.

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Des ondes qui font tanguer l'espace-temps

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