Le point sur les ondes gravitationnelles 16


La grosse nouvelle scientifique de la semaine, du mois ou même de l’année a été annoncée par des titres comme « Big Bang : les ondes gravitationnelles d’Einstein enfin détectées » ou « Des physiciens découvrent des preuves du Big Bang ». La découverte est fantastique, mais ces titres sont trompeurs:

  • On avait déjà des preuves du Big Bang d’une part, et de l’existence des ondes gravitationnelles d’autre part.
  • L’observatoire BICEP2 n’a pas détecté directement des ondes gravitationnelles, mais un de leurs effets
  • Il manque un mot clé dans ces titres : « inflation ». Ce que les récents résultats confirment, c’est la théorie de l'inflation cosmique.

« Découverte des Premières Ondes Gravitationnelles de l’Univers et Confirmation de l’Inflation » est un bon titre, et c’est celui d’un excellent article [1] d’un autre c@fetier des sciences sur les résultats récents de l’expérience BICEP2 . Il y en a d’autres [3,4,*]. Ici je vais juste essayer de faire le point sur les ondes gravitationnelles.

Avec la relativité générale Albert Einstein explique la gravité par un champ gravitationnel déformé par les masses. Lorsque des masses sont accélérées, les déformations du champ se propagent, en principe à la vitesse de la lumière, un peu comme l’accélération de charges électriques produit des ondes électromagnétiques.

Comme la gravitation est l’ interaction élémentaire de très loin la plus faible, cent milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus faible que l’électromagnétisme, il faut des masses énormes soumises à des accélérations fantastiques pour que les ondes gravitationnelles émises aient une puissance suffisante pour provoquer un effet mesurable, et des instruments de mesure incroyablement sensibles pour les détecter.

Les premières tentatives de détection directe datent de la fin des années 1960 avec la barre de Weber. L’idée est d’isoler une grosse barre de métal de toute vibration extérieure et de détecter une subite résonance de la barre au passage d’une onde gravitationnelle. L’amplitude des vibrations attendues étant d’environ 10-16 m si une supernova avait la bonne idée d’exploser pas trop loin, aucune des expériences basées sur ce principe (ALLEGRO, AURIGA, miniGRAIL, ou encore EXPLORER [2]) n’a fourni de résultat concluant.

Pas mieux pour l’instant pour l'interféromètre VIRGO, LIGO, GEO 600 et les autres détecteurs géants basés sur l’interférométrie. L’idée est de comparer les distances parcourues par deux faisceaux lasers sur plusieurs kilomètres dans des directions distinctes. Quand une onde gravitationnelle passe par là, elle modifie la distance parcourue par l’un des lasers d’un pouillème de nanomètre par rapport à l’autre.

LIGO, c’est grand : chaque bras fait 4 km de long, et il y a un autre interféromètre à 3000 km de là pour trianguler la source…

Ne reste plus alors qu’à isoler cette mesure des variations thermiques, des ondes sismiques, de celles produites par les collaborateurs et les scarabées du désert qui crapahutent à côté du détecteur… Comme on n’y est pas parvenu, l’idée est désormais de faire tout ça dans l’espace avec le  projet NGO, anciennement LISA. Lancement prévu en 2020.

Pourtant, bien qu’on n’en ait jamais détecté directement, on sait que les ondes gravitationnelles existent depuis 1974. Cette année là, les astronomes Hulse et Taylor découvrent PSR B1913+16, un « pulsar binaire ». C’est encore un de ces objets astronomiques qui nous ramènent à notre juste dimension : pas grand chose. Il s’agit de deux étoiles à neutrons de 1.4 masses solaires environ chacune qui se tournent autour en à peu près 7h45, à une distance variant entre 1 et 5 fois le rayon du Soleil, donc astronomiquement très très très proches.

D’après Einstein, un tel système devrait émettre des ondes gravitationnelles très puissantes « en spirale » comme dans le dessin ci-contre. Si c’est bien le cas, le signal radio émis par le pulsar avec une régularité extrême doit arriver un peu décalé dans le temps suivant la configuration des ondes gravitationnelles. Hulse et Taylor vérifient : gagné ! En 1993, ils reçoivent le prix Nobel de physique pour la première détection d’ondes gravitationnelles.

accélération de la période de PSR B1913+16 sur 30 ans. Prévision en bleu, mesures en rouge

De plus, selon Albert les ondes gravitationnelles emportent de l’énergie au loin, donc un astre en orbite perd peu à peu de l’énergie et « tombe » en orbitant plus vite, donc en émettant encore plus d’ondes gravitationnelles, ce qui le ralentit encore plus jusqu’à la catastrophe. Et c’est exactement ce que l’on mesure depuis 40 ans sur PSR B1913+16.

Le même phénomène a été mesuré sur mon quasar préféré, OJ 287 et d »autres objets astronomiques spectaculaires.

Les résultats récents de BICEP2 constituent également une détection indirecte des ondes gravitationnelles par une voie totalement différente des précédentes. Je n’ai absolument pas compris pourquoi, mais la théorie prédit que les ondes gravitationnelles produites lors de l'inflation cosmique ont du causer une polarisation « mode B » du fond diffus cosmologique, et c’est cette polarisation qui a été mise en évidence. Re-prix Nobel en perspective.

En attendant des mesures directes qui confirmeront que ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière, voire de détecter enfin le graviton, ces détections indirectes montrent que les ondes gravitationnelles existent, et qu’ Albert a toujours raison un siècle après s’être ennuyé au bureau des brevets de Berne.

Note * et ajout du 24.3.2014 : Science étonnante vient de publier « Ondes gravitationnelles ? Inflation ? Ou les deux ?« , article remarquable (comme d’hab) qui détaille la récente découverte et relève quelques bémols. Le niveau est plus élevé que dans ma modeste synthèse, mais si vous vous intéressez à ce sujet, je vous encourage vivement à lire cet excellent article.

Références:

  1. L’expérience EXPLORER, 2003, CERN-EX-0303017
  2. Eric Simon « Découverte des Premières Ondes Gravitationnelles de l’Univers et Confirmation de l’Inflation ! », 18 mars 2014, ça se passe là haut
  3. Sébastien Bohler, « Naissance de l’Univers: pourquoi la découverte des physiciens nous émerveille« , 18 mars 2014, SciLogs
  4. « Six questions pour comprendre l’inflation (pas celle-là, l’autre)« ,  17 mars 2014, Agence Science-Presse

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16 Commentaires on "Le point sur les ondes gravitationnelles"


Invité
Marco
12 jours 18 heures plus tôt

Bonne nuit Dr Goulu,

j’ai lu récemment dans une page Web que la lumière se plie à proximité d’une masse avec une rayon de courbure qui ne dépendrait pas de sa fréquence, ce qui démontrerait, selon ce texte, que c’est l’espace où transite la lumière à se courber et pas la lumière elle-même. Je n’avais pas pensé à cette question hyper-intéressante ! Un photon gamma étant bien plus fourré en énergie qu’un photon vlf à 10 kHz, et l’énergie étant équivalente à la masse bien que pas égale à une masse, il en découle que la force de gravitation d’un même corps devrait courber davantage le trajet emprunté par un photon gamma que celui d’un photon vlf placé à la même distance ; contrairement à ce qu’elle dit la page Web que j’avais lue. Au moins… que le photon gamma ne voyage ce tout petit peu plus vite que le photon vlf, pour que leurs deux trajectoires restent finalement identiques, ce qui ne me semble pas être dans la théorie de la Relativité. Si donc la vitesse des photons est strictement pareille, alors le corollaire serait que la lentille gravitationnelle, dont on parle beaucoup actuellement en astronomie pour la recherche de plein de choses, devrait en théorie très légèrement séparer les couleurs d’un même faisceau lumineux, en imitant, en cela aussi, une vraie lentille en verre ! Cependant, le pouvoir dioptrique d’une lentille gravitationnelle étant je crois très faible (un rapport focal de combien : f/50… ou f/500, voire de f/1.000 ?), l’aberration chromatique dérivant d’un tel dioptre gravitationnel serait probablement presque indétectable… ou bien non ?! Qu’en savez-vous sur ce sujet ? A-t-on déjà remarqué des bavures irisées à très forts grossissement sur des images produites par lentille gravitationnel, du genre : la croix d’Einstein par exemple, non attribuable aux artefacts des engins humains ?

Marco

Invité
Marco
12 jours 7 heures plus tôt

Heureusement que vous n’avez pas encore répondu à ma bête réflexion !

Cet après-midi au réveil et aux toilettes, j’ai réalisé la connerie bien nocturne que je vous avais postée en guise de question, ci-dessus ; je la retire aussitôt !! Une réflexion faite sur Youtube à un Youtubeur/beuse, concernant la vitesse et l’attraction de gravitation, s’était infiltrée dans mon esprit me trompant. Il est évident que le courbement subi par une entité énergétique (rayonnement) ou massive (corps) ne dépend pas de son contenu en masse/énergie mais de sa vitesse propre à l’approche du corps attracteur ; donc aucune dispersion de couleurs possible. Sauf si les photons de différentes fréquences n’allaient à des vitesses différentes (le contraire de ce que j’avais écrit !), ce qui n’est pas en accord avec la Relativité et qui, il me semble, n’est pas justement observé.
Pardonnez-moi, question annulée.

Marco

Invité
Marco
26 jours 21 heures plus tôt

Ce serait intéressant si vous nous présentiez un votre article sur la très charmante constante de structure fine et si elle change au fil du temps ou pas.

Marco

Invité
Marco
1 mois 5 jours plus tôt

Pensez-vous vraiment que le temps s’arrête, dedans un photon ??

Désolé de vous le dire, mais je ne le crois pas, parce qu’un photon peut être dévié dans sa course et rougi dans son oscillation présumée et donc diminué dans son énergie propre (ou augmenté), et tout ça pendant qu’il est en train d’exister à sa vitesse maximale, donc le temps doit l’affecter car il peut évoluer, en termes de trajectoire et en termes d’énergie contenue, pendant sa course à vitesse maximale. Deuxième argument : comment concevoir quelque chose qui n’a pas de temps dynamique à son intérieur ? Cette chose serait absolument figée à tel point qu’aucune loi physique n’aurait lieu à son intérieur, tout y serait suspendu ; pourtant, une physique dictant les bornes d’une telle chose doit forcément agir à la limite entre son intérieur et son extérieur touchant donc la surface de son intérieur, ce qui me semble très difficile à réaliser car la dynamique à l’extérieur de cette objet essaierait de pénétrer l’objet lui-même ou d’attaquer au moins sa surface limite entre temps dynamique et temps figé. Troisième argument : le photon probablement tend toujours asymptotiquement vers la vitesse de la lumière « c » mais il ne voyage pas précisément à cette vitesse-là mais un petit cran au dessous, car autrement devrait atteindre une énergie infinie selon Einstein dès qu’il possédait une moindre masse au repos, et en tout cas parce que, même avec zéro masse au repos, le vide cosmique n’est jamais continuellement et parfaitement vide. Dans ce cas, son temps serait trèèès lent mais pas arrêté, ce qui expliquerait la trèèès lente probabilité que le photon se dissocie spontanément. Quatrième argument : comment arrive-t-on à établir théoriquement « c », vu que la vitesse dans le vide de l’onde électromagnétique n’est pas, ou peut ne pas être, parfaitement égale à « c » ? Par convention ! Bien humaine… On fixe la longueur du mètre comme sous-multiple de celle qu’on considère être finalement la « c » définitive ; pas stupides les humaines. Mais cela reste un artifice et nul ne peut savoir si effectivement cette « c » est si définitive que ça ou bien majeure de celle adoptée par convention, ni si le postulat d’Einstein soit juste et que donc la « c » serait limite indépassable et donc une sorte d’« arrête-temps ». Je trouve que pour cause d’Einstein on a mis la lumière dans un piédestal et qu’on lui attribue donc facilement des pouvoirs surréalistes ! Il faut en effet dire qu’Einstein postule et non démontre la vitesse de la lumière dans le vide absolu comme horloge universel. Petit souci de rajout (ou cinquième argument) : le vide ne semble jamais être vide, de façon pérenne et non accidentelle comme le vide imparfait, pour cause des particules virtuelles du vide quantique et donc l’éther pourrait bien exister même sans générer le fameux vent (le vide quantique ne générant pas ce vent non plus !) dont l’absence a fait trop tôt disqualifier l’hypothèse de l’éther (qui remonte maintenant le gouffre où il avait été jeté, grâce à l’existence des photons virtuels ou bien grâce au champ de Higgs, comme le dit Wikipédia).
Cependant, si cette théorie du photon qui se dissocie était réelle, nous devrions observer une raie spectrale qui ne serait pas seulement décalée vers le rouge mais aussi un peu plus élargie, car les probabilités ne tombent pas toutes au même moment pour tous les photons décalés si bien que certains resteraient un peu moins décalés, d’autres un peu plus et d’autres encore décalés pile poil au centre de la raie spectrale. Or, connaissez-vous un tout si peu élargissement des raies décalées vers le rouge, dans les spectres des galaxies très lointaines ? Moi non. Donc ou l’effet de probabilité est très petit et au-dessous de la résolution des spectrographes, ou cette hypothèse est bel et bien fausse !

Ce livre de Smolin a l’air d’être stimulant, mais son auteur semble avoir lui aussi ses a priori bien qu’il en conteste à d’autres, à en lire une partie de votre résumé sur son ouvrage, notamment sur son chapitre 10.

La seconde pendant l’inflation, si elle a vraiment eu lieu (je me méfie), ne peut sans doute pas être égale à notre seconde à nous, ce dont vous montrez avoir un doute, la densité de masse-énergie, donc de gravitation, devant être immensément plus grande à cette époque-là que celle actuelle sur Terre, Dr Goulu. Donc une seconde de cette époque-là « inflationnaire » devrait valoir des années voire de siècles de notre temps terrestre. Cependant dans mon hypothèse (si à celle-là aussi vous vous référiez), ce ne serait pas tant la concentration de la masse-énergie à déterminer une seconde dilatée, car il n’y a aucun Big Bang dedans, mais une cause inconnue, comme je l’avais écrit ; peut-être cette cause serait une plus grande concentration d’énergie oui, mais sous forme d’éther et non de masse-énergie ordinaire, ou bien sous forme de vide quantique, ou encore de champ de Higgs. Je sais pas. La boule de cet éther ou vide quantique ou champ de Higgs pourrait être en expansion, elle, tandis que la masse-énergie ordinaire non et bien étalée dans l’espace depuis toujours. Le temps serait néanmoins, dans ce cas aussi, plus dilaté hier qu’aujourd’hui. Mais comment ? Parce que quand il y a une densité élevé d’énergie, même si de champ et non de matière ordinaire, le temps se dilate selon la Relativité.
Marco

Invité
Marco
1 mois 6 jours plus tôt

Merci beaucoup de votre réponse, Dr Goulu !

Il aurait suffi que je fouille Wikipédia en français, comme vous me le montrez, pour voir qu’un paragraphe entier y est consacré, à ma question… et j’avais pensé d’aller voir Wikipédia mais, croyant qu’une telle réponse assez pointue ne s’y trouvait, j’ai estimé faire plus court en vous écrivant.

Sur le fond du sujet, et ayant cette fois lu votre lien Wikipédia, ma nouvelle question est : selon la Relativité et/ou le modèle standard, l’énergie n’est-elle conservée ou plutôt est-elle conservée mais diluée car le volume cosmique total qui la contient s’agrandit de plus en plus au sein d’un espace infini et réellement vide de tout qui contient ce Cosmos ? (On revient ici à la notion d’ « espace absolu », sur lequel je fonde ma critique à Einstein et sa Relativité, exposée sur « Science étonnante »). Je trouve que c’est assez osé d’affirmer que le principe de conservation, et donc celui de création, puisse être globalement violé ! C’est potentiellement une entorse métaphysique à la physique ; un autre mal enfanté par des erreurs de fond en Relativité. Plus intéressante (et physique !) est votre idée que l’énergie sombre puisse bouffer l’énergie des photons de long trajet, en les rougissant, pour s’en servir dans sa poussée de répulsion entre superamas de galaxies. Cependant, il faudrait expliquer comment une telle machine naturelle, car de cela il s’agit, puisse fonctionner, comment elle arriverait à convertir l’énergie des photons en énergie de répulsion, dite « sombre » ou « noire ». Je suppose que vous n’en ayez pas l’idée. Et c’est tout à fait compréhensible.

Et si, en revanche, comme je vous en avais parlé sur « Science étonnante », il n’y avait aucune expansion de la métrique de l’Univers mais juste une contraction du temps cosmique tout entier depuis la nuit des temps ? Réfléchissez-y un instant, s’il vous plaît : supposons qu’il y a 10 milliards d’années le temps s’écoulait au peu près partout plus lentement pour une raison inconnue. Alors un phénomène physique quel qu’il soit, par exemple la désexcitation d’un atome d’hydrogène émettant la raie Lyman alpha, à 121,5 nanomètres actuellement, se déroulerait plus lentement dans ce lointain passé et la lumière émise (sa raie) serait décalée vers le rouge. Dans ce cas, l’énergie nécessaire pour l’émission serait intrinsèquement moindre que celle requise de nos jours pour qu’un phénomène physique identique se produise (en l’occurrence la désexcitation de l’hydrogène émettant la dite raie), tout comme cela arrive à proximité d’une étoile à neutron, par exemple. Ceci comporterait que la lumière soit rouge dès son départ, par décalage temporel, et non pas rougie le long de son chemin ; donc le principe de conservation de l’énergie serait sauf. Si l’on accepte ce principe, on aurait plein de bonnes retombées : le Cosmos n’étant pas en expansion, il n’y a plus besoin de recourir à l’inflation puisque le Cosmos serait dès son origine étalé dans l’espace absolu et ses relatives homogénéité et isotropie pourraient être des caractéristiques propres à lui, ou au moins à des très vastes portions à lui. Quant à l’accélération de la présumée expansion selon modèle standard, elle ne serait alors qu’une progressive augmentation de cette contraction du temps cosmique.

Autre hypothèse plus facile : le temps cosmique serait fixe, l’espace cosmique aussi, et le photon aurait lui, avec un long temps d’existence (long trajet), une probabilité quantique de plus en plus non nulle de se dissocier en deux photons corrélés, l’un d’énergie infime et l’autre juste un tout tout petit moins énergétique que celui initial, les deux couvrant ainsi un plus large faisceaux, un plus large cône, depuis sa source vers ses destinations, avec parfaite conservation de l’énergie dans la somme des fréquences des deux photons. Évidemment, leurs destinations seraient désormais deux et pas une seule comme lorsque le photon était un. Peut-être le photon tente de se dissocier même dans des parcours petits, par exemple dans nos labos, en générant des photons virtuels d’infime énergie qui élargissent virtuellement son faisceaux de propagation, mais il n’y arrive jamais (ou presque ?), ravale ses propres photons virtuels pour se concentrer toujours (ou presque ?) dans le seul point qu’il frappe, car le temps a été trop court pour que cette probabilité de dissociation se réalise vraiment (c’est-à-dire faisant passer au moins un de ces photons de virtuel à réel). Pourquoi d’ailleurs la probabilité quantique ne devrait-elle affecter l’énergie du photon et donc son individualité, quoi que de façon très modeste et très rare dans le temps ? Avec cette hypothèse aussi, le principe de conservation en resterait sauf. Pour la vérifier, on devrait retrouver le ou les photons-différence, assurément dans le domaine radio, de chaque photon décalé dans le rouge intercepté par nos instruments. Je crois qu’il serait possible de le faire. Par contre, concernant l’expansion de l’accélération, je ne saurais pas dire sauf que peut-être les probabilités de dissociation du photon n’augmentent pas de façon linéaire avec l’augmentation de la longueur du trajet du photon mais de façon légèrement logarithmique et décroissant avec la longueur du parcours.

Qu’en pensez-vous ?

Marco

Invité
Marco
1 mois 7 jours plus tôt

Bonne nuit Dr Goulu,

je suis le Marco du blog de « Science étonnante » ayant discuté de l’impossibilité de courbure sans plongement et je débarque ici pour vous poser cette question : dans le décalage vers le rouge cosmologique dû à l’étirement prétendu de la métrique spatiale, l’énergie perdue par le photon qui rougit, où finit-elle ? Car pour le principe de conservation de l’énergie, une onde électromagnétique de longueur « a » ne peut pas perdre son énergie passant à une longueur « b » > « a » sans destiner quelque autre part cette énergie perdue. Merci.

Marco

Invité
ZeusKnight
1 an 2 mois plus tôt

Bonjour, et merci pour ce point synthétique et plein de style sur les ondes gravitationnelles.

Comme je travail depuis peu dans ce domaine, je me permet de vous apporter une petite correction: le futur détecteur spatial n’a pas vraiment pour but de réussir une détection la où les détecteurs terrestres ont « échoué ». Les interféromètres terrestres, tels que VIRGO, LIGO ou le prochain KAGRA sont en cours d’amélioration pour augmenter leur sensibilité et par la même la probabilité de détection d’un « évenement », autrement dit d’une source d’onde gravitationnelle. On espère donc une première détection directe pour la fin de la décennie. Le futur interféromètre spatial a pour but de compléter la gamme de fréquence accessible par les détecteurs terrestres là ou le bruit de fond rend toute détection impossible, c’est à dire vers les petites fréquences, en dessous du Hertz.

Pour mieux comprendre BICEP2, je vous recommance cette vidéo de la chaîne MinutePhysic sur youtube, personnellement elle m’a bien aidé. https://www.youtube.com/watch?v=4IlBNJbCzfk

Invité
1 an 4 mois plus tôt

La vulgarisation de la science est un art délicat. Pour le profane très intéressé que je suis, cet article parvient à éclairer ma lanterne, avec un humour qui ne laisse pas insensible. Merci