Ondes gravitationnelles - découvertes ! Découverte des ondes gravitationnelles Ondes cosmiques

Le jour officiel de découverte (détection) des ondes gravitationnelles est le 11 février 2016. C'est alors, lors d'une conférence de presse tenue à Washington, que les dirigeants de la collaboration LIGO annoncent qu'une équipe de chercheurs est parvenue à enregistrer ce phénomène pour la première fois dans l'histoire de l'humanité.

Prophéties du grand Einstein

L'existence d'ondes gravitationnelles a été suggérée par Albert Einstein au début du siècle dernier (1916) dans le cadre de sa Théorie Générale de la Relativité (GTR). On ne peut que s'émerveiller des brillantes capacités du célèbre physicien, qui, avec un minimum de données réelles, a pu tirer des conclusions aussi ambitieuses. Parmi de nombreux autres phénomènes physiques prédits et confirmés au siècle prochain (ralentissement du temps, changement de direction du rayonnement électromagnétique dans les champs gravitationnels, etc.), jusqu'à récemment, il n'était pas possible de détecter pratiquement la présence de ce type de interaction ondulatoire entre les corps.

La gravité est-elle une illusion ?

En général, à la lumière de la théorie de la relativité, la gravité peut difficilement être qualifiée de force. perturbations ou courbures du continuum espace-temps. Un bon exemple pour illustrer ce postulat est un morceau de tissu étiré. Sous le poids d'un objet massif posé sur une telle surface, une dépression se forme. D'autres objets, en s'approchant de cette anomalie, changeront la trajectoire de leur mouvement, comme s'ils étaient « attirés ». Et plus le poids de l'objet est important (plus le diamètre et la profondeur de la courbure sont grands), plus la « force d'attraction » est élevée. Au fur et à mesure qu’il se déplace à travers le tissu, on peut observer l’apparition de « ondulations » divergentes.

Quelque chose de similaire se produit dans l’espace. Toute matière massive en mouvement rapide est source de fluctuations de la densité de l'espace et du temps. Une onde gravitationnelle d'amplitude significative est formée par des corps ayant des masses extrêmement grandes ou lorsqu'ils se déplacent avec d'énormes accélérations.

caractéristiques physiques

Les fluctuations de la métrique espace-temps se manifestent par des changements dans le champ gravitationnel. Ce phénomène est autrement appelé ondulations spatio-temporelles. L'onde gravitationnelle affecte les corps et objets rencontrés, les comprimant et les étirant. L'ampleur de la déformation est très insignifiante - environ 10 à 21 par rapport à la taille d'origine. Toute la difficulté de détecter ce phénomène résidait dans le fait que les chercheurs devaient apprendre à mesurer et à enregistrer ces changements à l’aide d’un équipement approprié. La puissance du rayonnement gravitationnel est également extrêmement faible : pour l'ensemble du système solaire, elle est de plusieurs kilowatts.

La vitesse de propagation des ondes gravitationnelles dépend légèrement des propriétés du milieu conducteur. L'amplitude des oscillations diminue progressivement avec la distance à la source, mais n'atteint jamais zéro. La fréquence varie de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de hertz. La vitesse des ondes gravitationnelles dans le milieu interstellaire se rapproche de la vitesse de la lumière.

Preuve circonstancielle

La première confirmation théorique de l'existence des ondes gravitationnelles a été obtenue par l'astronome américain Joseph Taylor et son assistant Russell Hulse en 1974. En étudiant l'immensité de l'Univers à l'aide du radiotélescope de l'Observatoire d'Arecibo (Porto Rico), des chercheurs ont découvert le pulsar PSR B1913+16, un système binaire d'étoiles à neutrons tournant autour d'un centre de masse commun avec une vitesse angulaire constante (un phénomène plutôt rare). cas). Chaque année, la durée de circulation, initialement de 3,75 heures, est réduite de 70 ms. Cette valeur est tout à fait cohérente avec les conclusions des équations de la relativité générale, qui prédisent une augmentation de la vitesse de rotation de tels systèmes en raison de la dépense d'énergie pour la génération d'ondes gravitationnelles. Par la suite, plusieurs pulsars doubles et naines blanches ayant un comportement similaire ont été découverts. Les radioastronomes D. Taylor et R. Hulse ont reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour avoir découvert de nouvelles possibilités d'étude des champs gravitationnels.

Échapper à une onde gravitationnelle

La première annonce concernant la détection d’ondes gravitationnelles a été faite par Joseph Weber (États-Unis), scientifique de l’Université du Maryland, en 1969. À ces fins, il a utilisé deux antennes gravitationnelles de sa propre conception, séparées par une distance de deux kilomètres. Le détecteur résonnant était un cylindre en aluminium solide de deux mètres, bien isolé des vibrations, équipé de capteurs piézoélectriques sensibles. L'amplitude des oscillations prétendument enregistrées par Weber s'est avérée plus d'un million de fois supérieure à la valeur attendue. Les tentatives d'autres scientifiques visant à répéter le « succès » du physicien américain en utilisant un équipement similaire n'ont pas donné de résultats positifs. Quelques années plus tard, les travaux de Weber dans ce domaine ont été reconnus comme intenables, mais ont donné une impulsion au développement du « boom gravitationnel », qui a attiré de nombreux spécialistes dans ce domaine de recherche. À propos, Joseph Weber lui-même était sûr jusqu'à la fin de ses jours d'avoir reçu des ondes gravitationnelles.

Améliorer les équipements de réception

Dans les années 70, le scientifique Bill Fairbank (États-Unis) a développé la conception d'une antenne à ondes gravitationnelles, refroidie à l'aide de SQUIDS - magnétomètres ultra-sensibles. Les technologies existantes à cette époque ne permettaient pas à l'inventeur de voir son produit réalisé en « métal ».

Le détecteur gravitationnel Auriga du Laboratoire national Legnar (Padoue, Italie) est conçu selon ce principe. La conception est basée sur un cylindre en aluminium-magnésium de 3 mètres de long et 0,6 m de diamètre. Le dispositif de réception pesant 2,3 tonnes est suspendu dans une chambre à vide isolée refroidie presque au zéro absolu. Pour enregistrer et détecter les chocs, un résonateur de kilogramme auxiliaire et un complexe de mesure informatisé sont utilisés. La sensibilité déclarée de l'équipement est de 10 à 20.

Interféromètres

Le fonctionnement des détecteurs d'interférences d'ondes gravitationnelles est basé sur les mêmes principes sur lesquels fonctionne l'interféromètre de Michelson. Le faisceau laser émis par la source est divisé en deux flux. Après de multiples réflexions et déplacements le long des bras de l'appareil, les flux sont à nouveau réunis et, sur la base du flux final, on juge si des perturbations (par exemple une onde gravitationnelle) ont affecté le cours des rayons. Des équipements similaires ont été créés dans de nombreux pays :

GEO 600 (Hanovre, Allemagne). La longueur des tunnels à vide est de 600 mètres.
TAMA (Japon) avec des accotements de 300 m.
VIRGO (Pise, Italie) est un projet commun franco-italien lancé en 2007 avec trois kilomètres de tunnels.
LIGO (USA, Côte Pacifique), qui chasse les ondes gravitationnelles depuis 2002.

Ce dernier mérite d’être examiné plus en détail.

LIGO Avancé

Le projet a été créé à l'initiative de scientifiques des instituts de technologie du Massachusetts et de Californie. Il comprend deux observatoires, séparés de 3 000 km, à Washington (les villes de Livingston et Hanford) avec trois interféromètres identiques. La longueur des tunnels à vide perpendiculaires est de 4 000 mètres. Ce sont les plus grandes structures de ce type actuellement en activité. Jusqu'en 2011, de nombreuses tentatives de détection des ondes gravitationnelles n'ont donné aucun résultat. La modernisation importante réalisée (Advanced LIGO) a augmenté la sensibilité de l'équipement dans la plage de 300 à 500 Hz de plus de cinq fois et dans la région des basses fréquences (jusqu'à 60 Hz) de près d'un ordre de grandeur, atteignant la valeur convoitée de 10 -21. Le projet actualisé a débuté en septembre 2015 et les efforts de plus d'un millier de collaborateurs de la collaboration ont été récompensés par les résultats obtenus.

Ondes gravitationnelles détectées

Le 14 septembre 2015, des détecteurs avancés LIGO, avec un intervalle de 7 ms, ont enregistré des ondes gravitationnelles atteignant notre planète à partir du plus grand événement survenu à la périphérie de l'Univers observable - la fusion de deux grands trous noirs avec des masses 29 et 36 fois. supérieure à la masse du Soleil. Au cours de ce processus, qui s'est déroulé il y a plus de 1,3 milliard d'années, environ trois masses solaires de matière ont été consommées en quelques fractions de seconde par l'émission d'ondes gravitationnelles. La fréquence initiale enregistrée des ondes gravitationnelles était de 35 Hz et la valeur maximale maximale atteignait 250 Hz.

Les résultats obtenus ont été soumis à plusieurs reprises à une vérification et à un traitement complets, et les interprétations alternatives des données obtenues ont été soigneusement éliminées. Enfin, l'année dernière, l'enregistrement direct du phénomène prédit par Einstein a été annoncé à la communauté mondiale.

Un fait illustrant le travail titanesque des chercheurs : l'amplitude des fluctuations de la taille des bras de l'interféromètre était de 10 à 19 m - cette valeur est le même nombre de fois inférieure au diamètre d'un atome, car l'atome lui-même est plus petit qu'un orange.

Perspectives d'avenir

La découverte confirme une fois de plus que la théorie de la relativité générale n'est pas seulement un ensemble de formules abstraites, mais un regard fondamentalement nouveau sur l'essence des ondes gravitationnelles et de la gravité en général.

Dans le cadre de recherches ultérieures, les scientifiques placent de grands espoirs dans le projet ELSA : la création d'un interféromètre orbital géant doté de bras d'environ 5 millions de km, capable de détecter même des perturbations mineures dans les champs gravitationnels. L'activation des travaux dans cette direction peut révéler beaucoup de choses nouvelles sur les principales étapes du développement de l'Univers, sur des processus difficiles voire impossibles à observer dans les gammes traditionnelles. Nul doute que les trous noirs, dont les ondes gravitationnelles seront détectées dans le futur, en diront beaucoup sur leur nature.

Pour étudier le rayonnement cosmique de fond micro-onde, qui peut nous renseigner sur les premiers instants de notre monde après le Big Bang, des instruments spatiaux plus sensibles seront nécessaires. Un tel projet existe ( Observateur du Big Bang), mais sa mise en œuvre, selon les experts, n'est possible que dans 30 à 40 ans.

11 février 2016

Il y a quelques heures à peine, est arrivée une nouvelle très attendue dans le monde scientifique. Un groupe de scientifiques de plusieurs pays travaillant dans le cadre du projet international de collaboration scientifique LIGO affirme qu'en utilisant plusieurs observatoires détecteurs, ils ont pu détecter les ondes gravitationnelles dans des conditions de laboratoire.

Ils analysent les données provenant de deux observatoires d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), situés dans les États de Louisiane et de Washington aux États-Unis.

Comme indiqué lors de la conférence de presse du projet LIGO, des ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015, d'abord dans un observatoire, puis 7 millisecondes plus tard dans un autre.

Sur la base de l'analyse des données obtenues, réalisée par des scientifiques de nombreux pays, dont la Russie, il a été constaté que l'onde gravitationnelle était provoquée par la collision de deux trous noirs d'une masse de 29 et 36 fois supérieure à celle du trou noir. Soleil. Après cela, ils ont fusionné en un seul grand trou noir.

Cela s'est produit il y a 1,3 milliard d'années. Le signal est arrivé sur Terre en provenance de la constellation du Nuage de Magellan.

Sergueï Popov (astrophysicien à l'Institut astronomique d'État Sternberg de l'Université d'État de Moscou) a expliqué ce que sont les ondes gravitationnelles et pourquoi il est si important de les mesurer.

Les théories modernes de la gravité sont des théories géométriques de la gravité, plus ou moins issues de la théorie de la relativité. Les propriétés géométriques de l'espace affectent le mouvement des corps ou des objets comme un faisceau lumineux. Et vice versa, la répartition de l'énergie (c'est la même chose que la masse dans l'espace) affecte les propriétés géométriques de l'espace. C'est très cool, car c'est facile à visualiser - tout ce plan élastique entouré d'une boîte a une certaine signification physique, même si, bien sûr, tout n'est pas si littéral.

Les physiciens utilisent le mot « métrique ». Une métrique est quelque chose qui décrit les propriétés géométriques de l'espace. Et ici, nous avons des corps se déplaçant avec accélération. Le plus simple est de faire tourner le concombre. Il est important qu’il ne s’agisse pas, par exemple, d’une boule ou d’un disque aplati. Il est facile d'imaginer que lorsqu'un tel concombre tourne sur un plan élastique, des ondulations en découlent. Imaginez que vous vous tenez quelque part et qu'un concombre tourne une extrémité vers vous, puis l'autre. Cela affecte l'espace et le temps de différentes manières, une onde gravitationnelle circule.

Ainsi, une onde gravitationnelle est une ondulation qui parcourt la métrique espace-temps.

Des perles dans l'espace

Il s’agit d’une propriété fondamentale de notre compréhension fondamentale du fonctionnement de la gravité, et les gens souhaitent la tester depuis cent ans. Ils veulent s’assurer qu’il y a un effet et qu’il est visible en laboratoire. Cela a été observé dans la nature il y a environ trente ans. Comment les ondes gravitationnelles devraient-elles se manifester dans la vie quotidienne ?

La façon la plus simple d'illustrer cela est la suivante : si vous lancez des perles dans l'espace de manière à ce qu'elles forment un cercle, et lorsqu'une onde gravitationnelle passe perpendiculairement à leur plan, elles commenceront à se transformer en une ellipse, comprimée d'abord dans une direction, puis dans l'autre. Le fait est que l’espace autour d’eux sera perturbé et ils le ressentiront.

"G" sur Terre

Les gens font quelque chose comme ça, non pas dans l'espace, mais sur Terre.

Des miroirs en forme de lettre « g » [en référence aux observatoires américains LIGO] sont suspendus à quatre kilomètres les uns des autres.

Des faisceaux laser fonctionnent - c'est un interféromètre, une chose bien comprise. Les technologies modernes permettent de mesurer des effets incroyablement petits. Ce n'est toujours pas que je n'y crois pas, j'y crois, mais je n'arrive tout simplement pas à comprendre - le déplacement des miroirs suspendus à une distance de quatre kilomètres les uns des autres est inférieur à la taille d'un noyau atomique. . C'est petit même par rapport à la longueur d'onde de ce laser. C’était là le problème : la gravité est l’interaction la plus faible, et donc les déplacements sont très faibles.

Cela a pris très longtemps, les gens essayent de le faire depuis les années 1970, ils ont passé leur vie à chercher des ondes gravitationnelles. Et maintenant, seules les capacités techniques permettent d'enregistrer une onde gravitationnelle dans des conditions de laboratoire, c'est-à-dire qu'elle est venue ici et que les miroirs se sont déplacés.

Direction

D’ici un an, si tout se passe bien, il y aura déjà trois détecteurs opérationnels dans le monde. Trois détecteurs sont très importants, car ils ne permettent pas de déterminer la direction du signal. De la même manière que nous sommes incapables de déterminer la direction d’une source à l’oreille. "Un son venant de quelque part sur la droite" - ces détecteurs détectent quelque chose comme ça. Mais si trois personnes se tiennent à distance les unes des autres et que l'une entend un son venant de la droite, l'autre de la gauche et la troisième de derrière, nous pouvons alors déterminer très précisément la direction du son. Plus il y aura de détecteurs, plus ils seront dispersés sur le globe, plus nous pourrons déterminer avec précision la direction de la source, et alors l'astronomie commencera.

Après tout, le but ultime n’est pas seulement de confirmer la théorie de la relativité générale, mais aussi d’acquérir de nouvelles connaissances astronomiques. Imaginez simplement qu'il existe un trou noir pesant dix masses solaires. Et il entre en collision avec un autre trou noir pesant dix masses solaires. La collision se produit à la vitesse de la lumière. Percée énergétique. C'est vrai. Il y en a une quantité fantastique. Et il n’y a aucun moyen… Ce ne sont que des ondulations de l’espace et du temps. Je dirais que détecter la fusion de deux trous noirs sera pendant longtemps la preuve la plus solide que les trous noirs sont plus ou moins les trous noirs que nous pensons qu’ils sont.

Passons en revue les enjeux et les phénomènes qu'elle pourrait révéler.

Les trous noirs existent-ils vraiment ?

Le signal attendu de l’annonce de LIGO pourrait avoir été produit par la fusion de deux trous noirs. De tels événements sont les plus énergiques connus ; la force des ondes gravitationnelles qu’elles émettent peut brièvement éclipser toutes les étoiles de l’univers observable réunies. La fusion des trous noirs est également assez facile à interpréter à partir de leurs ondes gravitationnelles très pures.

Une fusion de trous noirs se produit lorsque deux trous noirs tournent l’un autour de l’autre, émettant de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Ces ondes ont un son caractéristique (chirp) qui peut être utilisé pour mesurer la masse de ces deux objets. Après cela, les trous noirs fusionnent généralement.

« Imaginez deux bulles de savon qui se rapprochent si près qu’elles ne forment qu’une seule bulle. La plus grosse bulle est déformée », explique Tybalt Damour, théoricien de la gravitation à l'Institut de recherches scientifiques avancées près de Paris. Le trou noir final sera parfaitement sphérique, mais devra d’abord émettre des types prévisibles d’ondes gravitationnelles.

L’une des conséquences scientifiques les plus importantes de la détection d’une fusion de trous noirs sera la confirmation de l’existence de trous noirs – au moins des objets parfaitement ronds constitués d’un espace-temps pur, vide et incurvé, comme le prédit la relativité générale. Une autre conséquence est que la fusion se déroule comme les scientifiques l’avaient prédit. Les astronomes disposent de nombreuses preuves indirectes de ce phénomène, mais jusqu’à présent, il s’agissait d’observations d’étoiles et de gaz surchauffés sur l’orbite de trous noirs, et non des trous noirs eux-mêmes.

« La communauté scientifique, moi y compris, n’aime pas les trous noirs. Nous les tenons pour acquis, explique France Pretorius, spécialiste de la simulation de relativité générale à l'Université de Princeton dans le New Jersey. "Mais quand nous pensons à quel point cette prédiction est étonnante, nous avons besoin de preuves vraiment étonnantes."

Les ondes gravitationnelles se propagent-elles à la vitesse de la lumière ?

Lorsque les scientifiques commencent à comparer les observations du LIGO avec celles d’autres télescopes, la première chose qu’ils vérifient est si le signal est arrivé au même moment. Les physiciens pensent que la gravité est transmise par des particules de graviton, l'analogue gravitationnel des photons. Si, comme les photons, ces particules n’ont pas de masse, alors les ondes gravitationnelles se déplaceront à la vitesse de la lumière, ce qui correspond à la prédiction de la vitesse des ondes gravitationnelles dans la relativité classique. (Leur vitesse peut être affectée par l’expansion accélérée de l’Univers, mais cela devrait être évident à des distances nettement supérieures à celles couvertes par LIGO).

Il est cependant fort possible que les gravitons aient une petite masse, ce qui signifie que les ondes gravitationnelles se déplaceront à une vitesse inférieure à celle de la lumière. Ainsi, par exemple, si LIGO et Virgo détectent des ondes gravitationnelles et découvrent que ces ondes sont arrivées sur Terre après des rayons gamma liés à un événement cosmique, cela pourrait avoir des conséquences qui pourraient changer la vie de la physique fondamentale.

L'espace-temps est-il constitué de cordes cosmiques ?

Une découverte encore plus étrange pourrait se produire si des sursauts d’ondes gravitationnelles émanaient de « cordes cosmiques ». Ces défauts hypothétiques dans la courbure de l’espace-temps, qui peuvent ou non être liés aux théories des cordes, devraient être infiniment minces, mais s’étendre jusqu’à des distances cosmiques. Les scientifiques prédisent que les cordes cosmiques, si elles existent, pourraient se plier accidentellement ; si la corde devait se plier, cela provoquerait une poussée gravitationnelle que des détecteurs comme LIGO ou Virgo pourraient mesurer.

Les étoiles à neutrons peuvent-elles être grumeleuses ?

Les étoiles à neutrons sont les restes de grandes étoiles qui se sont effondrées sous leur propre poids et sont devenues si denses que les électrons et les protons ont commencé à fusionner en neutrons. Les scientifiques comprennent peu la physique des trous de neutrons, mais les ondes gravitationnelles pourraient nous en apprendre beaucoup sur eux. Par exemple, la gravité intense à leur surface fait que les étoiles à neutrons deviennent presque parfaitement sphériques. Mais certains scientifiques ont suggéré qu'il pourrait également y avoir des « montagnes » – de quelques millimètres de haut – qui rendent ces objets denses, d'un diamètre ne dépassant pas 10 kilomètres, légèrement asymétriques. Les étoiles à neutrons tournent généralement très rapidement, de sorte que la distribution asymétrique de la masse déformera l'espace-temps et produira un signal d'onde gravitationnelle persistant sous la forme d'une onde sinusoïdale, ralentissant la rotation de l'étoile et émettant de l'énergie.

Les paires d’étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre produisent également un signal constant. Comme des trous noirs, ces étoiles se déplacent en spirale et finissent par fusionner avec un son caractéristique. Mais sa spécificité diffère de la spécificité du son des trous noirs.

Pourquoi les étoiles explosent-elles ?

Les trous noirs et les étoiles à neutrons se forment lorsque des étoiles massives cessent de briller et s’effondrent sur elles-mêmes. Les astrophysiciens pensent que ce processus est à l’origine de tous les types courants d’explosions de supernova de type II. Les simulations de telles supernovae n’ont pas encore montré ce qui provoque leur inflammation, mais l’écoute des sursauts d’ondes gravitationnelles émises par une vraie supernova semble apporter une réponse. En fonction de l'apparence des ondes de rafale, de leur intensité, de leur fréquence et de leur corrélation avec les supernovae suivies par les télescopes électromagnétiques, ces données pourraient aider à exclure un certain nombre de modèles existants.

À quelle vitesse l’Univers s’étend-il ?

L’expansion de l’Univers signifie que les objets éloignés qui s’éloignent de notre galaxie apparaissent plus rouges qu’ils ne le sont réellement car la lumière qu’ils émettent s’étire à mesure qu’ils se déplacent. Les cosmologues estiment le taux d'expansion de l'Univers en comparant le redshift des galaxies avec leur distance par rapport à nous. Mais cette distance est généralement estimée à partir de la luminosité des supernovae de type Ia, et cette technique laisse beaucoup d’incertitudes.

Si plusieurs détecteurs d'ondes gravitationnelles dans le monde détectent des signaux issus de la fusion des mêmes étoiles à neutrons, ils peuvent ensemble estimer avec une précision absolue le volume du signal, et donc la distance à laquelle la fusion s'est produite. Ils pourront également estimer la direction, et ainsi identifier la galaxie dans laquelle l’événement s’est produit. En comparant le redshift de cette galaxie avec la distance aux étoiles en fusion, il est possible d’obtenir un taux d’expansion cosmique indépendant, peut-être plus précis que ne le permettent les méthodes actuelles.

sources

http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves

http://cont.ws/post/199519

Ici, nous avons découvert d'une manière ou d'une autre, mais qu'est-ce que c'est et. Regarde à quoi ça ressemble L'article original est sur le site InfoGlaz.rf Lien vers l'article à partir duquel cette copie a été réalisée -

Nous vivons désormais dans un Univers rempli d’ondes gravitationnelles.

Jusqu'à l'annonce historique de jeudi matin lors de la réunion de la National Science Foundation (NSF) à Washington, il n'y avait que des rumeurs selon lesquelles l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) aurait découvert un élément clé de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. la réalité est plus profonde que nous le pensions.

Avec une clarté étonnante, LIGO a pu « entendre » l’instant avant qu’un système binaire (deux trous noirs en orbite l’un autour de l’autre) ne fusionne en un seul tout, créant un signal d’onde gravitationnelle si clair, conformément au modèle théorique, qu’il n’a pas nécessité de discussion. . LIGO a été témoin de la « renaissance » d’un puissant trou noir qui s’est produite il y a environ 1,3 milliard d’années.

Les ondes gravitationnelles ont toujours traversé et traverseront toujours notre planète (et même nous traverseront), mais ce n’est que maintenant que nous savons comment les trouver. Nous avons maintenant ouvert les yeux sur divers signaux cosmiques, vibrations provoquées par des événements énergétiques connus, et assistons à la naissance d’un tout nouveau domaine de l’astronomie.

Le bruit de la fusion de deux trous noirs :

"Nous pouvons désormais entendre l'Univers", a déclaré Gabriela Gonzalez, physicienne et porte-parole du LIGO, lors de la réunion triomphale de jeudi. "Cette découverte marque le début d'une nouvelle ère : le domaine de l'astronomie gravitationnelle est désormais une réalité."

Notre place dans l’Univers change considérablement et cette découverte pourrait être aussi fondamentale que la découverte des ondes radio et la compréhension de l’expansion de l’Univers.

La théorie de la relativité devient plus précieuse

Essayer d'expliquer ce que sont les ondes gravitationnelles et pourquoi elles sont si importantes est aussi complexe que les équations qui les décrivent, mais leur découverte renforce non seulement les théories d'Einstein sur la nature de l'espace-temps, mais nous disposons désormais d'un outil pour sonder certaines parties de l'univers. qui étaient invisibles pour tout le monde. Nous pouvons désormais étudier les ondes cosmiques créées par les événements les plus énergétiques survenant dans l’Univers, et peut-être utiliser les ondes gravitationnelles pour faire de nouvelles découvertes physiques et explorer de nouveaux phénomènes astronomiques.

"Nous devons maintenant prouver que nous disposons de la technologie nécessaire pour aller au-delà de la découverte des ondes gravitationnelles, car cela ouvre de nombreuses possibilités", a déclaré Lewis Lehner de l'Institut de physique théorique de l'Ontario dans une interview après l'annonce de jeudi.

Les recherches de Lehner se concentrent sur les objets denses (tels que les trous noirs) qui créent de puissantes ondes gravitationnelles. Bien qu'il ne soit pas associé à la collaboration LIGO, Lehner s'est rapidement rendu compte de l'importance de cette découverte historique. "Il n'y a pas de meilleurs signaux", a-t-il déclaré.

La découverte repose sur trois voies, raisonne-t-il. Premièrement, nous savons désormais que les ondes gravitationnelles existent et nous savons comment les détecter. Deuxièmement, le signal détecté par les stations LIGO le 14 septembre 2015 est une preuve solide de l'existence d'un système binaire de trous noirs, et chaque trou noir pèse plusieurs dizaines de masses solaires. Le signal est exactement ce que nous attendions de la violente fusion de deux trous noirs, l’un pesant 29 fois le Soleil, l’autre 36 fois. Troisièmement, et c’est peut-être le plus important, « la capacité d’être envoyé dans un trou noir » est de loin la preuve la plus solide de l’existence des trous noirs.

Intuition cosmique

Cet événement s'est accompagné de chance, comme beaucoup d'autres découvertes scientifiques. LIGO est le plus grand projet financé par la National Science Foundation, qui a débuté en 2002. Il s'est avéré qu'après de nombreuses années de recherche du signal insaisissable des ondes gravitationnelles, LIGO n'était pas assez sensible et en 2010, les observatoires ont été gelés tandis qu'une coopération internationale était menée pour augmenter leur sensibilité. Cinq ans plus tard, en septembre 2015, le « LIGO amélioré » était né.

À l’époque, Kip Thorne, co-fondateur de LIGO et poids lourd de la physique théorique, était confiant dans le succès de LIGO, déclarant à la BBC : « Nous sommes là. Nous sommes sur le terrain d'un grand match. Et il est clair que nous lèverons le voile du secret. » - Et il avait raison, quelques jours après la reconstruction, une explosion d'ondes gravitationnelles a balayé notre planète, et LIGO était suffisamment sensible pour les détecter.

Ces fusions de trous noirs ne sont pas considérées comme quelque chose de spécial ; On estime que de tels événements se produisent toutes les 15 minutes quelque part dans l’Univers. Mais cette fusion particulière s’est produite au bon endroit (à 1,3 milliard d’années-lumière) au bon moment (il y a 1,3 milliard d’années) pour que les observatoires LIGO captent son signal. C’était un pur signal de l’Univers, et Einstein l’avait prédit, et ses ondes gravitationnelles se sont révélées réelles, décrivant un événement cosmique 50 fois plus puissant que la puissance de toutes les étoiles de l’Univers réunies. Cette énorme explosion d’ondes gravitationnelles a été enregistrée par LIGO sous la forme d’un signal haute fréquence avec modulation de fréquence linéaire alors que les trous noirs s’enroulaient en spirale et fusionnaient en un seul.

Pour confirmer la propagation des ondes gravitationnelles, LIGO se compose de deux stations d'observation, l'une en Louisiane, l'autre à Washington. Pour éliminer les fausses alarmes, le signal d’onde gravitationnelle doit être détecté aux deux stations. Le 14 septembre, le résultat a été obtenu d'abord en Louisiane, et 7 millisecondes plus tard à Washington. Les signaux ont coïncidé et, grâce à la triangulation, les physiciens ont pu découvrir qu'ils provenaient de l'espace céleste de l'hémisphère sud.

Ondes gravitationnelles : à quoi peuvent-elles être utiles ?

Nous avons donc la confirmation d’un signal de fusion de trous noirs, mais et alors ? Il s'agit d'une découverte historique tout à fait compréhensible : il y a 100 ans, Einstein ne pouvait même pas rêver de découvrir ces ondes, mais cela s'est quand même produit.

La relativité générale a été l’une des connaissances scientifiques et philosophiques les plus profondes du XXe siècle et constitue la base de certaines des recherches les plus intelligentes sur la réalité. En astronomie, les applications de la relativité générale sont claires : de la lentille gravitationnelle à la mesure de l’expansion de l’Univers. Mais l'application pratique des théories d'Einstein n'est pas du tout claire, mais la plupart des technologies modernes utilisent les leçons de la relativité dans certaines choses considérées comme simples. Par exemple, prenons les satellites de navigation mondiaux, ils ne seront pas assez précis à moins qu’un simple ajustement de la dilatation du temps (prédit par la relativité) ne soit appliqué.

Il est clair que la relativité générale a des applications dans le monde réel, mais lorsqu’Einstein présenta sa théorie en 1916, son application était très discutable, ce qui semblait évident. Il a simplement connecté l’Univers tel qu’il le voyait, et c’est ainsi qu’est née la théorie de la relativité générale. Et maintenant, un autre élément de la théorie de la relativité a été prouvé, mais comment utiliser les ondes gravitationnelles ? Les astrophysiciens et les cosmologistes sont définitivement intrigués.

"Une fois que nous aurons collecté des données sur des paires de trous noirs qui agiront comme des balises dispersées dans tout l'univers", a déclaré jeudi le physicien théoricien Neil Turok, directeur de l'Institut de physique théorique, lors d'une présentation vidéo. vitesse." expansion de l'Univers, ou la quantité d'énergie noire avec une extrême précision, beaucoup plus précisément que nous ne le pouvons aujourd'hui. "

« Einstein a développé sa théorie à partir de quelques indices tirés de la nature, mais en se basant sur une cohérence logique. Après 100 ans, vous voyez une confirmation très précise de ses prédictions. »

De plus, l’événement du 14 septembre présente certaines caractéristiques physiques qui doivent encore être explorées. Par exemple, Lehner a noté qu'en analysant le signal des ondes gravitationnelles, il est possible de mesurer le « spin » ou le moment cinétique d'un trou noir en fusion. "Si vous travaillez sur cette théorie depuis longtemps, vous saurez que le trou noir a une rotation très, très particulière", a-t-il déclaré.

La formation d'ondes gravitationnelles lors de la fusion de deux trous noirs :

Pour une raison quelconque, la rotation finale du trou noir est plus lente que prévu, ce qui indique que les trous noirs sont entrés en collision à faible vitesse, ou qu'ils étaient dans une telle collision qui a provoqué un moment cinétique commun opposé l'un à l'autre. "C'est très intéressant, pourquoi la nature a-t-elle fait cela ?", a déclaré Lehner.

Ce mystère récent pourrait faire revenir des éléments de physique de base qui avaient été laissés de côté, mais, plus intriguant encore, il pourrait révéler une « nouvelle » physique inhabituelle qui ne rentre pas dans la relativité générale. Et cela met en évidence d’autres utilisations des ondes gravitationnelles : comme elles sont créées par de forts phénomènes gravitationnels, nous avons la capacité de sonder cet environnement à distance, avec d’éventuelles surprises en cours de route. De plus, nous pourrions combiner les observations de phénomènes astrophysiques avec les forces électromagnétiques pour mieux comprendre la structure de l’Univers.

Application?

Naturellement, après les énormes annonces faites à partir d’une série de découvertes scientifiques, de nombreuses personnes extérieures à la communauté scientifique se demandent comment elles pourraient être affectées. La profondeur de la découverte pourrait être perdue, ce qui s'applique certainement aux ondes gravitationnelles. Mais considérons un autre cas, lorsque Wilhelm Roentgen a découvert les rayons X en 1895, lors d'expériences avec des tubes cathodiques, peu de gens savent que quelques années plus tard seulement, ces ondes électromagnétiques deviendront un élément clé de la médecine quotidienne, du diagnostic au traitement. De même, avec la première création expérimentale d'ondes radio en 1887, Heinrich Hertz confirma les célèbres équations électromagnétiques de James Clerk Maxwell. Ce n'est qu'après un certain temps, dans les années 90 du 20e siècle, que Guglielmo Marconi, qui a créé un émetteur et un récepteur radio, a prouvé leur application pratique. En outre, les équations de Schrödinger, qui décrivent le monde complexe de la dynamique quantique, sont désormais utilisées dans le développement de l'informatique quantique ultra-rapide.

Toutes les découvertes scientifiques sont utiles, et nombre d’entre elles ont finalement des applications quotidiennes que nous tenons pour acquises. Actuellement, les applications pratiques des ondes gravitationnelles se limitent à l’astrophysique et à la cosmologie – nous disposons désormais d’une fenêtre sur « l’univers sombre », invisible au rayonnement électromagnétique. Sans aucun doute, les scientifiques et les ingénieurs trouveront d’autres utilisations à ces pulsations cosmiques que l’exploration de l’Univers. Cependant, pour détecter ces ondes, il faut que la technologie optique progresse au LIGO, et que de nouvelles technologies émergent au fil du temps.

Le 11 février 2016, un groupe international de scientifiques, notamment russes, lors d'une conférence de presse à Washington, a annoncé une découverte qui, tôt ou tard, changera le développement de la civilisation. Il a été possible de prouver en pratique les ondes gravitationnelles ou les ondes de l'espace-temps. Leur existence a été prédite il y a 100 ans par Albert Einstein dans son livre.

Personne ne doute que cette découverte sera récompensée par le prix Nobel. Les scientifiques ne sont pas pressés de parler de son application pratique. Mais ils rappellent que jusqu’à tout récemment, l’humanité ne savait pas non plus quoi faire des ondes électromagnétiques, ce qui a finalement conduit à une véritable révolution scientifique et technologique.

Que sont les ondes gravitationnelles en termes simples

La gravité et la gravitation universelle sont une seule et même chose. Les ondes gravitationnelles sont l'une des solutions au GPV. Ils doivent se propager à la vitesse de la lumière. Il est émis par tout corps se déplaçant avec une accélération variable.

Par exemple, il tourne sur son orbite avec une accélération variable dirigée vers l'étoile. Et cette accélération est en constante évolution. Le système solaire émet de l’énergie de l’ordre de plusieurs kilowatts sous forme d’ondes gravitationnelles. C'est une somme insignifiante, comparable à 3 vieilles TV couleur.

Une autre chose est que deux pulsars (étoiles à neutrons) tournent autour l’un de l’autre. Ils tournent sur des orbites très rapprochées. Un tel « couple » a été découvert par les astrophysiciens et observé depuis longtemps. Les objets étaient prêts à tomber les uns sur les autres, ce qui indiquait indirectement que les pulsars émettaient des ondes spatio-temporelles, c'est-à-dire de l'énergie dans leur champ.

La gravité est la force de gravité. Nous sommes attirés par la terre. Et l’essence d’une onde gravitationnelle est un changement dans ce champ, qui est extrêmement faible lorsqu’elle nous atteint. Prenons par exemple le niveau d’eau dans un réservoir. L’intensité du champ gravitationnel est l’accélération de la chute libre en un point précis. Une vague traverse notre étang, et soudain l’accélération de la chute libre change, juste un peu.

De telles expériences ont commencé dans les années 60 du siècle dernier. À cette époque, ils ont imaginé ceci : ils ont suspendu un énorme cylindre en aluminium, refroidi pour éviter les fluctuations thermiques internes. Et ils attendaient qu’une vague provenant d’une collision, par exemple, de deux trous noirs massifs, nous atteigne soudainement. Les chercheurs étaient pleins d'enthousiasme et ont déclaré que le globe entier pourrait être affecté par une onde gravitationnelle venant de l'espace. La planète se mettra à vibrer et ces ondes sismiques (ondes de compression, de cisaillement et de surface) pourront être étudiées.

Un article important sur l'appareil en termes simples et sur la façon dont les Américains et LIGO ont volé l'idée des scientifiques soviétiques et construit des introféromètres qui ont rendu la découverte possible. Personne n'en parle, tout le monde se tait !

À propos, le rayonnement gravitationnel est plus intéressant du point de vue du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qu'ils tentent de trouver en modifiant le spectre du rayonnement électromagnétique. Le CMB et le rayonnement électromagnétique sont apparus 700 mille ans après le Big Bang, puis lors de l'expansion de l'univers, remplis de gaz chauds avec des ondes de choc progressives, qui se sont ensuite transformées en galaxies. Dans ce cas, naturellement, un nombre gigantesque et ahurissant d’ondes spatio-temporelles auraient dû être émises, affectant la longueur d’onde du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qui à cette époque était encore optique. L'astrophysicien russe Sazhin écrit et publie régulièrement des articles sur ce sujet.

Interprétation erronée de la découverte des ondes gravitationnelles

« Un miroir se bloque, une onde gravitationnelle agit sur lui et il se met à osciller. Et même les fluctuations les plus insignifiantes avec une amplitude inférieure à la taille d'un noyau atomique sont remarquées par les instruments » - une telle interprétation incorrecte, par exemple, est utilisée dans l'article Wikipédia. Ne soyez pas paresseux, trouvez un article de scientifiques soviétiques de 1962.

Premièrement, le miroir doit être massif pour ressentir les « ondulations ». Deuxièmement, il doit être refroidi jusqu'au zéro presque absolu (Kelvin) pour éviter ses propres fluctuations thermiques. Très probablement, non seulement au 21e siècle, mais en général, il ne sera jamais possible de détecter une particule élémentaire - porteuse d'ondes gravitationnelles :

, ETATS-UNIS

Les ondes gravitationnelles enfin découvertes

Science populaire

Les oscillations de l’espace-temps sont découvertes un siècle après qu’Einstein les ait prédites. Une nouvelle ère en astronomie commence.

Les scientifiques ont découvert des fluctuations dans l'espace-temps provoquées par la fusion de trous noirs. Cela s’est produit cent ans après qu’Albert Einstein ait prédit ces « ondes gravitationnelles » dans sa théorie de la relativité générale, et cent ans après que les physiciens ont commencé à les rechercher.

Cette découverte historique a été annoncée aujourd'hui par des chercheurs du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Ils ont confirmé les rumeurs qui entouraient l’analyse du premier ensemble de données collectées depuis des mois. Les astrophysiciens affirment que la découverte des ondes gravitationnelles offre de nouvelles connaissances sur l'univers et la capacité de reconnaître des événements lointains qui ne peuvent pas être vus avec des télescopes optiques, mais qui peuvent être ressentis et même entendus lorsque leurs faibles vibrations nous parviennent à travers l'espace.

« Nous avons détecté des ondes gravitationnelles. Nous l'avons fait!" " David Reitze, directeur exécutif de l'équipe de recherche composée de 1 000 personnes, l'a annoncé aujourd'hui lors d'une conférence de presse à Washington à la National Science Foundation.

Les ondes gravitationnelles sont peut-être le phénomène le plus insaisissable des prédictions d'Einstein, et le scientifique a débattu de ce sujet avec ses contemporains pendant des décennies. Selon sa théorie, l’espace et le temps forment une matière extensible qui se plie sous l’influence d’objets lourds. Ressentir la gravité signifie tomber dans les méandres de cette matière. Mais cet espace-temps peut-il trembler comme la peau d’un tambour ? Einstein était confus ; il ne savait pas ce que signifiaient ses équations. Et il a changé plusieurs fois de point de vue. Mais même les partisans les plus fervents de sa théorie pensaient que les ondes gravitationnelles étaient de toute façon trop faibles pour être observées. Ils tombent en cascade vers l’extérieur après certains cataclysmes et, à mesure qu’ils se déplacent, ils étirent et compriment alternativement l’espace-temps. Mais au moment où ces ondes atteignent la Terre, elles ont étiré et comprimé chaque kilomètre d’espace d’une infime fraction du diamètre d’un noyau atomique.

La détection de ces vagues a nécessité de la patience et de la prudence. L'observatoire LIGO a tiré des faisceaux laser d'avant en arrière le long des bras inclinés de quatre kilomètres (4 kilomètres) de deux détecteurs, l'un à Hanford, dans l'État de Washington, et l'autre à Livingston, en Louisiane. Cela a été fait à la recherche d'expansions et de contractions coïncidentes de ces systèmes lors du passage des ondes gravitationnelles. À l’aide de stabilisateurs de pointe, d’instruments à vide et de milliers de capteurs, les scientifiques ont mesuré des changements dans la longueur de ces systèmes qui étaient aussi petits qu’un millième de la taille d’un proton. Une telle sensibilité des instruments était impensable il y a cent ans. Cela semblait incroyable même en 1968, lorsque Rainer Weiss du Massachusetts Institute of Technology a conçu une expérience appelée LIGO.

« C’est un grand miracle qu’ils aient finalement réussi. Ils ont pu détecter ces minuscules vibrations ! a déclaré Daniel Kennefick, physicien théoricien de l'Université de l'Arkansas, qui a écrit le livre de 2007 Voyager à la vitesse de la pensée : Einstein et la quête des ondes gravitationnelles.

Cette découverte a marqué le début d’une nouvelle ère de l’astronomie des ondes gravitationnelles. L’espoir est que nous comprendrons mieux la formation, la composition et le rôle galactique des trous noirs, ces boules de masse extrêmement denses qui courbent l’espace-temps de manière si spectaculaire que même la lumière ne peut s’en échapper. Lorsque les trous noirs se rapprochent et fusionnent, ils produisent un signal d’impulsion : des oscillations spatio-temporelles qui augmentent en amplitude et en tonalité avant de se terminer brusquement. Les signaux que l'observatoire peut enregistrer se situent dans la plage audio, mais ils sont trop faibles pour être entendus à l'oreille nue. Vous pouvez recréer ce son en passant vos doigts sur les touches du piano. "Commencez par la note la plus basse et progressez jusqu'à la troisième octave", a déclaré Weiss. "C'est ce que nous entendons."

Les physiciens sont déjà surpris par le nombre et la force des signaux enregistrés jusqu'à présent. Cela signifie qu’il y a plus de trous noirs dans le monde qu’on ne le pensait auparavant. "Nous avons eu de la chance, mais j'ai toujours compté sur ce genre de chance", a déclaré l'astrophysicien Kip Thorne, qui travaille au California Institute of Technology et a créé LIGO avec Weiss et Ronald Drever, également à Caltech. "Cela se produit généralement lorsqu'une toute nouvelle fenêtre s'ouvre dans l'univers."

En écoutant les ondes gravitationnelles, nous pouvons nous forger des idées complètement différentes sur l’espace, et peut-être découvrir des phénomènes cosmiques inimaginables.

"Je peux comparer cela à la première fois que nous avons pointé un télescope vers le ciel", a déclaré l'astrophysicienne théoricienne Janna Levin du Barnard College de l'Université de Columbia. "Les gens ont réalisé qu'il y avait quelque chose là-bas et que cela pouvait être vu, mais ils ne pouvaient pas prédire l'incroyable gamme de possibilités qui existent dans l'univers." De même, a noté Levine, la découverte des ondes gravitationnelles pourrait montrer que l’univers est « plein de matière noire que nous ne pouvons pas facilement détecter avec un télescope ».

L’histoire de la découverte de la première onde gravitationnelle a commencé un lundi matin de septembre, et elle a commencé en trombe. Le signal était si clair et si fort que Weiss pensa : « Non, c’est un non-sens, il n’en sortira rien. »

Intensité des émotions

Cette première onde gravitationnelle a balayé les détecteurs améliorés du LIGO – d'abord à Livingston et sept millisecondes plus tard à Hanford – lors d'une simulation au début du 14 septembre, deux jours avant le début officiel de la collecte de données.

Les détecteurs étaient testés après une mise à niveau qui a duré cinq ans et a coûté 200 millions de dollars. Ils sont équipés de nouvelles suspensions de rétroviseurs pour réduire le bruit et d'un système de retour actif pour supprimer les vibrations parasites en temps réel. La mise à niveau a donné à l’observatoire amélioré un niveau de sensibilité plus élevé que l’ancien LIGO, qui, entre 2002 et 2010, détectait le « zéro absolu et pur », comme le dit Weiss.

Lorsque le signal puissant est arrivé en septembre, les scientifiques d’Europe, où c’était alors le matin, ont commencé à se précipiter pour bombarder leurs collègues américains de courriels. Lorsque le reste du groupe s’est réveillé, la nouvelle s’est répandue très rapidement. Selon Weiss, presque tout le monde était sceptique, surtout lorsqu’ils ont vu le signal. C’était un véritable classique des manuels scolaires, c’est pourquoi certaines personnes pensaient que c’était un faux.

De fausses affirmations sur la recherche des ondes gravitationnelles ont été faites à plusieurs reprises depuis la fin des années 1960, lorsque Joseph Weber de l'Université du Maryland pensait avoir découvert des vibrations résonantes dans un cylindre en aluminium contenant des capteurs en réponse aux ondes. En 2014, une expérience appelée BICEP2 a annoncé la découverte d’ondes gravitationnelles primordiales – des ondulations spatio-temporelles du Big Bang qui se sont maintenant étendues et sont devenues définitivement figées dans la géométrie de l’univers. Les scientifiques de l'équipe BICEP2 ont annoncé leur découverte en grande pompe, mais leurs résultats ont ensuite été soumis à une vérification indépendante, au cours de laquelle il s'est avéré qu'ils avaient tort et que le signal provenait de la poussière cosmique.

Lorsque Lawrence Krauss, cosmologue à l'Université d'État de l'Arizona, a entendu parler de la découverte de l'équipe LIGO, il a d'abord pensé qu'il s'agissait d'un « canular aveugle ». Lors du fonctionnement de l'ancien observatoire, des signaux simulés étaient subrepticement insérés dans des flux de données pour tester la réponse, à l'insu de la plupart des membres de l'équipe. Lorsque Krauss apprit d'une source bien informée que cette fois-ci il ne s'agissait pas d'un « coup aveugle », il put difficilement contenir son enthousiasme joyeux.

Le 25 septembre, il déclarait à ses 200 000 abonnés sur Twitter : « Rumeurs d'une onde gravitationnelle détectée par le détecteur LIGO. Incroyable si c'est vrai. Je vous donnerai les détails si ce n’est pas un faux. Vient ensuite une entrée du 11 janvier : « Les rumeurs précédentes concernant LIGO ont été confirmées par des sources indépendantes. Suivez l'actualité. Peut-être que des ondes gravitationnelles ont été découvertes ! »

La position officielle des scientifiques était la suivante : ne parlez pas du signal reçu tant qu'il n'y a pas de certitude à cent pour cent. Thorne, pieds et poings liés par cette obligation de secret, ne dit même rien à sa femme. «J'ai célébré seul», a-t-il déclaré. Pour commencer, les scientifiques ont décidé de revenir au tout début et de tout analyser dans les moindres détails afin de découvrir comment le signal s'est propagé à travers des milliers de canaux de mesure de divers détecteurs et de comprendre s'il y avait quelque chose d'étrange au niveau du signal. moment où le signal a été détecté. Ils n'ont rien trouvé d'inhabituel. Ils ont également exclu les pirates informatiques, qui auraient eu la meilleure connaissance des milliers de flux de données impliqués dans l’expérience. "Même lorsqu'une équipe effectue des remises en jeu à l'aveugle, elles ne sont pas assez parfaites et laissent beaucoup de traces", a déclaré Thorne. "Mais il n'y avait aucune trace ici."

Dans les semaines suivantes, ils entendirent un autre signal, plus faible.

Les scientifiques ont analysé les deux premiers signaux et de plus en plus de nouveaux sont arrivés. Ils ont présenté leurs recherches dans la revue Physical Review Letters en janvier. Ce numéro est publié en ligne aujourd'hui. Selon leurs estimations, la signification statistique du premier signal, le plus puissant, dépasse 5 sigma, ce qui signifie que les chercheurs ont 99,9999 % de confiance dans son authenticité.

À l'écoute de la gravité

Les équations de la relativité générale d'Einstein sont si complexes qu'il a fallu 40 ans à la plupart des physiciens pour convenir que oui, les ondes gravitationnelles existent et peuvent être détectées, même en théorie.

Au début, Einstein pensait que les objets ne pouvaient pas libérer d'énergie sous forme de rayonnement gravitationnel, mais il a ensuite changé de point de vue. Dans son article historique rédigé en 1918, il montrait quels objets pouvaient faire cela : des systèmes en forme d'haltères qui tournent simultanément sur deux axes, tels que des binaires et des supernovae qui explosent comme des pétards. Ils peuvent générer des ondes dans l’espace-temps.

Mais Einstein et ses collègues continuaient d’hésiter. Certains physiciens affirmaient que même si les ondes existaient, le monde vibrerait avec elles et il serait impossible de les ressentir. Ce n'est qu'en 1957 que Richard Feynman mit l'affaire de côté en démontrant dans une expérience de pensée que si les ondes gravitationnelles existaient, elles pourraient théoriquement être détectées. Mais personne ne savait à quel point ces systèmes en forme d’haltères étaient courants dans l’espace, ni quelle était la force ou la faiblesse des ondes qui en résultaient. « En fin de compte, la question était : pourrons-nous un jour les détecter ? dit Kennefick.

En 1968, Rainer Weiss était un jeune professeur au MIT et fut chargé de donner un cours sur la relativité générale. En tant qu'expérimentateur, il en savait peu de choses, mais soudain, la nouvelle de la découverte des ondes gravitationnelles par Weber est apparue. Weber a construit trois détecteurs de résonance en aluminium de la taille d'un bureau et les a placés dans différents États américains. Il rapporte maintenant que les trois détecteurs détectent « le bruit des ondes gravitationnelles ».

Les étudiants de Weiss ont été invités à expliquer la nature des ondes gravitationnelles et à exprimer leur opinion sur le message. En étudiant les détails, il fut étonné par la complexité des calculs mathématiques. « Je n’arrivais pas à comprendre ce que faisait Weber, comment les capteurs interagissaient avec l’onde gravitationnelle. Je suis resté assis longtemps et je me suis demandé : "Quelle est la chose la plus primitive que je puisse trouver pour détecter les ondes gravitationnelles ?" Et puis j'ai eu une idée que j'appelle la base conceptuelle de LIGO.

Imaginez trois objets dans l'espace-temps, disons des miroirs aux coins d'un triangle. "Envoyez un signal lumineux de l'un à l'autre", a déclaré Weber. "Voyez combien de temps il faut pour passer d'une masse à une autre et vérifiez si le temps a changé." Il s’avère, a noté le scientifique, que cela peut être fait rapidement. «J'ai confié cela à mes étudiants dans le cadre d'un travail de recherche. Littéralement, tout le groupe a pu faire ces calculs.

Au cours des années suivantes, alors que d'autres chercheurs tentaient de reproduire les résultats de l'expérience du détecteur de résonance de Weber, mais échouaient continuellement (on ne sait pas exactement ce qu'il observait, mais il ne s'agissait pas d'ondes gravitationnelles), Weiss commença à préparer une expérience beaucoup plus précise et ambitieuse : une interféromètre à ondes. Le faisceau laser est réfléchi par trois miroirs installés en forme de lettre « L » et forme deux faisceaux. L'intervalle entre les pics et les creux des ondes lumineuses indique précisément la longueur des branches de la lettre « L », qui créent les axes X et Y de l'espace-temps. Lorsque la balance est stationnaire, les deux ondes lumineuses sont réfléchies depuis les coins et s’annulent. Le signal dans le détecteur est nul. Mais si une onde gravitationnelle traverse la Terre, elle étend la longueur d’un bras de la lettre « L » et comprime la longueur de l’autre (et vice versa à son tour). La disparité des deux faisceaux lumineux crée un signal dans le détecteur, indiquant de légères fluctuations dans l'espace-temps.

Au début, des collègues physiciens ont exprimé leur scepticisme, mais l'expérience a rapidement obtenu le soutien de Thorne, dont l'équipe de théoriciens de Caltech étudiait les trous noirs et d'autres sources potentielles d'ondes gravitationnelles, ainsi que les signaux qu'ils génèrent. Thorne s'est inspiré de l'expérience de Weber et des efforts similaires déployés par des scientifiques russes. Après avoir parlé avec Weiss lors d'une conférence en 1975, « j'ai commencé à croire que la détection des ondes gravitationnelles serait un succès », a déclaré Thorne. "Et je voulais que Caltech en fasse également partie." Il a fait en sorte que l'institut embauche l'expérimentateur écossais Ronald Dreaver, qui a également déclaré qu'il construirait un interféromètre à ondes gravitationnelles. Au fil du temps, Thorne, Driver et Weiss ont commencé à travailler en équipe, chacun résolvant sa part des innombrables problèmes en préparation de l'expérience pratique. Le trio a créé LIGO en 1984, et une fois les prototypes construits et la collaboration commencée au sein d'une équipe en constante expansion, ils ont reçu un financement de 100 millions de dollars de la National Science Foundation au début des années 1990. Des plans ont été élaborés pour la construction d’une paire de détecteurs géants en forme de L. Une décennie plus tard, les détecteurs ont commencé à fonctionner.

À Hanford et Livingston, au centre de chacun des bras détecteurs de quatre kilomètres se trouve un vide grâce auquel le laser, son faisceau et ses miroirs sont isolés au maximum des vibrations constantes de la planète. Pour mieux couvrir leurs paris, les scientifiques du LIGO surveillent leurs détecteurs alors qu'ils fonctionnent avec des milliers d'instruments, mesurant tout ce qu'ils peuvent : activité sismique, pression barométrique, éclairs, rayons cosmiques, vibrations des équipements, sons à proximité du faisceau laser, etc. sur. Ils filtrent ensuite leurs données de ce bruit de fond étranger. L'essentiel est peut-être qu'ils disposent de deux détecteurs, ce qui leur permet de comparer les données reçues, en vérifiant la présence de signaux correspondants.

Contexte

Ondes gravitationnelles : complété ce qu'Einstein avait commencé à Berne

SuisseInfo 13/02/2016

Comment meurent les trous noirs

Moyen 19/10/2014
Dans le vide créé, même avec les lasers et les miroirs complètement isolés et stabilisés, « des choses étranges se produisent tout le temps », explique Marco Cavaglià, porte-parole adjoint du LIGO. Les scientifiques doivent traquer ces « poissons rouges », « fantômes », « monstres marins obscurs » et autres phénomènes vibratoires étrangers, découvrir leur source afin de l'éliminer. Un incident difficile s'est produit pendant la phase de test, a déclaré Jessica McIver, chercheuse au LIGO, qui étudie ces signaux et interférences parasites. Une série de bruits périodiques à fréquence unique apparaissait souvent parmi les données. Lorsqu'elle et ses collègues ont converti les vibrations des miroirs en fichiers audio, "la sonnerie du téléphone pouvait être clairement entendue", a déclaré McIver. "Il s'est avéré que c'étaient les annonceurs qui passaient des appels téléphoniques à l'intérieur de la salle laser."

Au cours des deux prochaines années, les scientifiques continueront d'améliorer la sensibilité des détecteurs améliorés de l'observatoire d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser de LIGO. Et en Italie, un troisième interféromètre appelé Advanced Virgo va commencer à fonctionner. L’une des réponses que les données contribueront à apporter est la manière dont les trous noirs se forment. Sont-ils le produit de l’effondrement des premières étoiles massives, ou sont-ils créés par des collisions au sein d’amas d’étoiles denses ? "Ce ne sont que deux suppositions, je pense qu'il y en aura d'autres lorsque tout le monde se calmera", dit Weiss. Alors que les prochains travaux du LIGO commencent à accumuler de nouvelles statistiques, les scientifiques commenceront à écouter les histoires que le cosmos leur murmure sur les origines des trous noirs.

À en juger par sa forme et sa taille, la première impulsion, la plus forte, est née à 1,3 milliard d'années-lumière d'où, après une éternité de danse lente, deux trous noirs, chacun environ 30 fois la masse du soleil, ont finalement fusionné sous l'influence de l'attraction gravitationnelle mutuelle. attirance. Les trous noirs tournaient de plus en plus vite, comme un tourbillon, se rapprochant progressivement. Puis la fusion s'est produite et, en un clin d'œil, ils ont libéré des ondes gravitationnelles d'une énergie comparable à celle de trois Soleils. Cette fusion fut le phénomène énergétique le plus puissant jamais enregistré.

"C'est comme si nous n'avions jamais vu l'océan pendant une tempête", a déclaré Thorne. Il attend cette tempête dans l’espace-temps depuis les années 1960. Le sentiment que Thorne a ressenti lorsque ces vagues ont déferlé n'était pas vraiment de l'excitation, dit-il. C'était autre chose : un sentiment de profonde satisfaction.

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