Sihem Sayah, doctorante au LMA, la plateforme nationale de l’IP2I , nous parle des murmures du passé de l’univers et comment les entendre grâce aux ondes gravitationnelles.

lecture : 5 min

La découverte des ondes gravitationnelles en 2015 a suscité la création d’une nouvelle branche de l’astronomie dite « astronomie gravitationnelle » qui permet d’explorer les événements les plus explosifs de l’Univers de façon inédite.

Contempler l’Univers par le prisme de la physique

Depuis toute petite j’ai toujours été fasciné par la vue du ciel, la lune, les étoiles… Ou notre système solaire et ses différentes planètes qui laissent imaginer l’existence d’autres systèmes que le nôtre dans ce vaste cosmos. En les observant, j’étais envoûtée par la magnificence de ces objets célestes, je ne pouvais m’empêcher de me demander : d’où viennent-ils ? Comment notre monde et notre Univers ont débuté ?

Ma curiosité et ma passion pour l’astronomie et l’instrumentation m’ont naturellement dirigée vers des études de physique. D’abord une licence en physique fondamentale, puis un master en physique subatomique avant de me lancer dans une thèse en 2019. A travers ces études très théoriques, je continue de méditer sur la beauté de notre monde par le prisme de la physique et de ses équations. Mais alors que jusqu’à maintenant je ne contemplais sa beauté que de mes yeux, aujourd’hui je « tends l’oreille » pour entendre les ondes gravitationnelles et explorer l’univers, sa création et son histoire.

 

Par quels moyens remonter aux origines de l’Univers ?

J’ai toujours eu la conviction que pour comprendre une chose, il faut l’étudier. Ainsi, la recherche est pour moi un très bon moyen de plonger dans les mystères de l’Univers et sa connaissance. Bien que cela puisse se faire de biens des façons. Pour ma part, ce qui m’intéresse dans la recherche est de pouvoir apporter ma contribution au développement de moyens performants nécessaire à la détection des ondes gravitationnelles

Pour comprendre ce que pourrait apporter la recherche des ondes gravitationnelles, il faut avant tout revenir à la théorie du Big Bang, alias la « théorie du commencement ».

Décrite par 3 physiciens (Friedmann Lemaître et Gamow) entre 1920 et 1940, cette théorie se base sur la relativité d’Albert Einstein. Le début de notre Univers aurait eu lieu il y a 13,8 milliards d’années à partir d’une explosion cosmique d’un point dense de matière extrêmement chaud. A partir de cette explosion cosmique, l’énergie libérée déclencha l’expansion de l’Univers. La forte énergie dégagée créa de la matière en refroidissant, puis des particules subatomiques se sont assemblées pour former les premiers éléments, les premières étoiles puis les galaxies.

Une des phases de l’expansion qu’on appelle l’inflation aurait généré un fond d’ondes gravitationnelles. Grâce à ces ondes gravitationnelles on pourrait reconstruire la plus vielle image du cosmos. On aura vraiment l’image instantanée des premiers instants de l’Univers soit moins d’une seconde après le Big Bang. Les ondes gravitationnelles sont, en quelques sortes, l’empreinte de cette explosion et le signal émis la signature du « commencement » : Sans le Big Bang ce fonds d’ondes gravitationnelles n’existerait pas.

Ainsi la détection d’une onde gravitationnelle datant de cette époque de l’Univers déterminera si un cataclysme a bien ébranlé l’espace-temps et confirmera – ou non – la théorie du Big Bang. Cela sera possible grâce à la prochaine génération de détecteurs qui utiliseront ma recherche pour produire de meilleurs miroirs.

 

Une nouvelle génération de détecteurs

Le 14 septembre 2015, la première détection d’une onde gravitationnelle résultant de la fusion de deux trous noirs confirma la théorie d’Einstein. Cela donna naissance à une nouvelle physique, l’astronomie dite « multi-messagers »  ou « gravitationnelle » [1]. Particulièrement pour certains types de sources comme les fusions de deux objets denses comme les étoiles à neutrons qui en explosant font vibrer tout l’espace-temps. Mais tout est question de sensibilité : Plus les détecteurs sont sensibles et plus ils peuvent détecter d’explosions dans l’espace.

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles sur lesquels je travaille ont besoin d’être améliorés en augmentant leurs sensibilités de détection.

Mon travail porte sur la limitation des pertes de lumières causés par la présence de défauts diffusant sur les miroirs qui composent ces détecteurs. Ces améliorations pour augmenter les sensibilités de détection serviront pour toutes les expériences nécessitant des miroirs haute performances à très faible pertes optiques. Le défi est très intéressant par sa nouveauté et stimulant pour l’enjeu final.

crédit image – Eric Le Roux/Direction de la communication Lyon 1

Être à l’écoute de l’Univers

Détecter ce type d’onde est tout à fait inédit dans le monde de la recherche. Jusqu’à présent, la recherche en astrophysique était basée sur l’observation à travers des télescopes géants ou des satellites en détectant les ondes lumineuses et des ondes radio émises par les étoiles et les galaxies. Or, contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles ont un avantage particulier. Elles traversent l’Univers sans être absorbées ou modifiée. Elles permettent ainsi de sonder des endroits encore inconnus de notre Univers mais aussi d’étudier les sources émettrices qui ne produisent pas de contre parties électromagnétiques, c’est-à-dire en l’absence de lumière. C’est le cas de certains objets comme la fusion de trous noirs qui n’émettent pas de lumière. Grâce aux ondes gravitationnelles, leur détection et leur localisation est devenue possible.

C’est pour cette raison particulière que les physiciens qui se penchent sur la théorie du Big Bang voient dans la détection des ondes gravitationnelles, un nouveau moyen de remonter aux origines du monde. Avant nous pouvions « voir » l’Univers observable, aujourd’hui nous pouvons aussi l’ « entendre » grâce à toutes les « vibrations » émise par l’Univers qui voyagent à travers l’espace-temps et arrivent jusqu’à nous.

Les ondes gravitationnelles jouent un rôle primordial dans la compréhension de notre Univers et permettront de nous éclairer sur son évolution depuis ces premiers instants. Néanmoins, il faut beaucoup de données statistiques de détection et une grande sensibilité de détecteurs pour pouvoir y arriver. Plus les détecteurs deviendront sensibles et plus ils détecteront d’évènements précoces dans les prémices de l’Univers. Cela sera le cas d’Einstein Telescope [2], le prochain détecteur d’ondes gravitationnelles de nouvelle génération. Il sera 10 fois plus sensible que le détecteur actuel Virgo et pourra entendre plus loin dans le cosmos.

Mais il nous faudra attendre encore quelques années pour que l’univers nous murmure de nouveaux secrets sur son passé lointain.

Les détecteurs d'ondes Gravitationnelles

Il existe actuellement 3 détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO à Hanford et Livingston aux États-Unis et Virgo à Pise en Italie. Ces détecteurs basés sur des interféromètres laser géants permettent la détection des signaux émis par le choc d’objets cosmiques faisant trembler l’espace-temps.

Les trois détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo partagent l’accès et le traitement des données depuis 2007. En travaillant ensemble de cette façon, ils maximisent les chances de détection d’onde gravitationnelles car il faut qu’il y ait une coïncidence sur au moins deux détecteurs pour qu’une détection soit fiable.

Un nouveau détecteur en construction au Japon, Kagra rejoindra bientôt les 3 autres pour augmenter la fiabilité des détections. A la différence des 3 autres, ce détecteur sous-terrain aura des miroirs et des cavités optiques cryogéniques.

La collaboration entre les différentes expériences permet également de déterminer les sources émettrices d’ondes gravitationnelles en utilisant la triangulation. Ensuite, des alertes sont envoyées aux différents télescopes terrestres et spatiaux afin d’orienter les instruments d’observations dans la direction d’intérêt pour mesurer les contreparties électromagnétiques de l’évènement.

 

Pour aller plus loin 

[1] https://lejournal.cnrs.fr/articles/les-premiers-pas-de-lastronomie-gravitationnelle

[2] https://in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/le-projet-einstein-telescope-detecteur-dondes-gravitationnelles-de-troisieme-generation-en


Cet article a été réalisé par Sihem Sayah pour Sciences pour tous.

Sa bio :

Après une Licence Physique fondamentale et un master en Physique Subatomique à l’Université Lyon 1, j’ai décidé de poursuivre en thèse sur un sujet d’actualité et me passionnant qui est la détection des ondes gravitationnelles. Je travaille sur le côté recherche et développement des miroirs qui composent les détecteurs des ondes gravitationnelles. Leur amélioration et l’optimisation des qualités optiques de ces miroirs permettront d’améliorer la sensibilité des détecteurs et ainsi d’être plus performant pour la détection d’événements astrophysiques dans le cosmos.


Publié le mardi 24 novembre 2020

Cette actu est proposée par le pôle de diffusion des savoirs de l'Université Claude Bernard Lyon 1

Matthieu Martin

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