Le 14 septembre 2015, des ondes gravitationnelles étaient détectées pour la première fois par des instruments. Le communiqué officiel n’est arrivé que plusieurs mois plus tard, le temps de confirmer toutes les mesures et les analyses. L’attente était telle qu’il ne pouvait pas y avoir la moindre place au doute.

Quand 29 + 36 = 62 … avec des ondes gravitationnelles en plus

« C’est arrivé tellement vite que pendant 24 heures, on a cru que c’était un test », se souvient Frédérique Marion, du laboratoire d’Annecy de physique des particules et aussi porte-parole adjointe de la collaboration Virgo, comme le rapporte le CNRS. La confirmation venait aussi du fait que le signal avait été détecté dans deux laboratoires différents, situés à 3 000 kilomètres.

Pour rappel, les données ont justement « permis aux scientifiques des collaborations LIGO et Virgo d’estimer que les deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d’années, et avaient des masses d’environ 29 et 36 fois celle du Soleil […] Les ondes gravitationnelles détectées ont été produites pendant la dernière fraction de seconde précédant la fusion de deux trous noirs en un trou noir unique, plus massif et en rotation sur lui-même ». Le résultat de ce cataclysme est un trou noir de 62 fois la masse du Soleil… soit une perte de l’équivalent de 3 Soleils (près de 6 x 10^30 kg tout de même) qui a donné lieu à des ondes gravitationnelles.

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La quatrième campagne de mesures est en cours

Depuis, les détections se sont multipliées, notamment, car les instruments se sont améliorés (et sont aussi plus nombreux). En plus des trous noirs, des fusions d’étoiles à neutrons ont aussi été détectées. Fin 2017, une source lumineuse était aussi de la partie, en plus de la déformation (infime) de l’espace-temps, ouvrant ainsi la voie à une « nouvelle astronomie ». On parle aussi d’astronomie multi-messager.

Lors de la première campagne de mesure, trois ondes gravitationnelles ont été détectées. On passe à une dizaine avec la deuxième campagne, puis une « petite centaine en ajoutant la troisième et probablement autour de trois cents au terme de la quatrième ». Cette dernière associe les instruments de LIGO, Virgo et, pour la première fois, le japonais KAGRA. Cette quatrième campagne a débuté en mai 2023 (après trois ans de travaux) et se terminera fin 2024.

« Une succession de découvertes et de révolutions »

Le CNRS dresse un premier bilan des conséquences des détections des ondes gravitationnelles : « un lien établi entre fusion d’étoiles à neutrons et sursauts gamma courts […] une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble […] ; enfin, une mesure de la vitesse de propagation des ondes gravitationnelles, compatible avec la vitesse de la lumière, qui a permis de contraindre nombre des théories alternatives à la relativité générale ! ». Selon Marie-Anne Bizouard (laboratoire Artemis du CNRS), c’est « une succession de découvertes et de révolutions » depuis un peu moins de dix ans.

Les ondes gravitationnelles déforment pour rappel l’espace-temps et la matière pendant leur passage. On parle d’une échelle de l’ordre du milliardième de la taille d’un atome. Pour mesurer ces infimes variations, les scientifiques utilisent des interféromètres de Michelson. Ils améliorent constamment leurs instruments afin d’avoir des mesures toujours plus précises et donc des informations plus fiables sur les ondes gravitationnelles pour ainsi remonter à leur source.

« Suspension et état de surface des miroirs, lumière laser, environnement… tout est bon pour réduire le bruit, qu’il soit d’origine sismique ou lié à la nature quantique de la lumière », explique le CNRS. « C’est aussi une somme de petites choses, mais à chaque fois très complexes et très difficiles à réaliser », explique Frédérique Marion. Étant donné l’échelle à laquelle travaillent les scientifiques, on ne peut pas dire le contraire. Le moindre « bruit » ambiant peut casser la précision des mesures.

Virgo nEXT et Ligo A# en embuscade

Le futur est déjà dans les coulisses. Les collaborations Virgo et Ligo préparent en effet la suite avec des versions respectives « nEXT » et « A# » de leurs instruments. La logique étant « d’aller aux limites de ce que permettent les infrastructures existantes », ajoute Frédérique Marion.

Il ne faut pas oublier l’interféromètre japonais Kagra qui s’est joint pour la quatrième campagne de mesures, ainsi que Ligo-India dont la construction a commencé en Inde. Il viendra s’ajouter aux deux américains se trouvant dans le complexe nucléaire de Hanford (État de Washington) et à Livingston (Louisiane). Virgo (une réalisation franco-italienne) se trouve à Pise en Italie.

Bref, « nous assistons à l’éclosion d’un écosystème mondial d’observatoires d’ondes gravitationnelles, techniquement robuste et scientifiquement prometteur », affirme Marie-Anne Bizouard.

Après le succès de LISA Pathfinder, la mission eLISA va-t-elle décoller ?

L’Agence spatiale européenne n’est pas en reste et doit décider cette année des suites à donner de sa mission eLISA. La mission LISA Pathfinder – un satellite de test pour la mission de grande envergure eLISA – a pour rappel surpassé les attentes des scientifiques avec des performances « cinq fois supérieures au cahier des charges ». eLISA est composée de trois satellites distants les uns des autres de plusieurs millions de kilomètres et pourrait être lancée en 2035.

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Les attentes autour de cette mission sont importantes : elle « permettra d’observer des binaires de naines blanches, soit des astres résultant de la mort d’étoiles de type solaire. Il offrira ainsi une nouvelle façon d’étudier l’évolution des populations d’étoiles dans la Voie lactée. Mais surtout, l’interféromètre en orbite révèlera les trous noirs supermassifs logés au cœur des galaxies, dont le cycle de vie est relié à celui des galaxies et à l’évolution des grandes structures de l’Univers ».

L’Einstein Telescope se prépare en Europe

En Europe, un autre projet est en préparation : l’Einstein Telescope. Grande nouveauté : il pourra accéder à tout l’Univers observable. « Le Télescope souterrain Einstein sera l'observatoire européen le plus avancé pour la détection des ondes gravitationnelles », peut-on lire sur le site du projet.

Voici son principe de fonctionnement : « un tunnel de forme triangulaire avec [trois] bras de 10 kilomètres de long. Il s’agit d’un observatoire souterrain qui sera situé à une profondeur de 250 à 300 mètres ». Selon les scientifiques en charge du projet, « il devrait alors être possible de “remonter” jusqu’à peu de temps après le Big Bang. Ce dispositif de mesure dix fois plus précis que ses prédécesseurs fournira de nombreuses informations nouvelles sur l’origine de notre univers. Dix fois plus précis” signifie que l’on peut mesurer mille fois plus d’ondes gravitationnelles ».

« Avec le Einstein Telescope, on vise l’instrument ultime, capable de détecter des événements dans la totalité de l’Univers observable, contre une distance de deux milliards d’années-lumière actuellement. Rien n’est encore acté, mais déjà 1 500 spécialistes ont travaillé sur le design de l’instrument », explique Patrice Verdier, de l’Institut de physique des deux infinis de Lyon et responsable France du projet Einstein Telescope.

Les États-Unis ne sont pas en reste. Ils « projettent la construction d’un instrument de surface dont les bras atteindraient entre 20 et 40 kilomètres de longueur, pour des performances comparables à celles de son cousin européen ».

Un « nouvel âge d’or pour l’astronomie »

C’est un « nouvel âge d’or pour l’astronomie » affirme le CNRS. Laura Bernard, du laboratoire Univers et théories, détaille davantage les attentes et les enjeux : « l’objectif est de faire le tri entre les différentes théories au-delà de la relativité générale qui se proposent soit d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers, soit de réconcilier relativité générale et théorie quantique ».

Danièle Steer, du laboratoire Astroparticules et cosmologie et responsable du Groupement de recherche Ondes gravitationnelles, va encore plus loin : « Dans le futur, si on parvient à séparer le fond cosmologique du fond astrophysique, on peut espérer obtenir des informations sur des phénomènes qui ont immédiatement succédé au Big Bang ». Lorsque le CNRS lui demande à quoi pourraient ressembler ces signaux des origines, la réponse est… inattendue : « Ils sont liés à une physique que l’on ne connaît pas, donc tout est possible ! ».