Einstein l'avait prédit il y a près d'un siècle : il existe bien des ondes gravitationnelles dans notre univers !

Pour la toute première fois, les astronomes ont pu véritablement observer ces ondes primordiales, sans doute générées une infinitésimale fraction de seconde après le big bang, il y a 13,8 milliards d'années. Les mesures effectuées par le télescope BICEP2, au Pôle Sud, montrent que des ondes gravitationnelles continuaient se propager à 380.000 années après le big bang. Pour la communauté scientifique, ces résultats sont de nature historique. Ce pourrait même être l'une des découvertes majeures de ce siècle. Reste à comprendre la signification de ces ondes, dont il a fallu des décennies de recherches pour prouver existence.
La plupart des experts y voient la confirmation que la gravité, qui fait tomber les pommes des abres est de nature quantique, comme toutes les autres forces fondamentales de la nature. Et les observations effectuées semblent confirmer l'expansion initiale de l'univers ayant résulté du big bang.

Deux trous noirs qui fusionnent en produiraient à la pelle ! Prédites par Einstein, les ondes gravitationnelles seraient produites par le mouvement d'objets très massifs dans l'espace-temps ; lequel, un peu comme un étang troublé par le jet d'un caillou, serait parcouru de "vagues" se propageant à la vitesse de la lumière. Sur leur passage, elles créeraient de petites variations de la gravitation qui seraient mesurables.

Comment ? La distance qui sépare deux objets doit alors très légèrement varier. Ce phénomène étant infime, on n'a pu le vérifier qu'indirectement - ce qui valut tout de même un prix Nobel aux physiciens Hulse et Taylor en 1993. Leurs cobayes ? Un couple d'etoiles à neutrons, des astres très compacts qui tournicotent l'un autour de l'autre. Comme leurs orbites se modifiaient très légèrement au cours du temps, c'était la preuve qu'elles transformaient une part de leur énergie en ondes gravitationnelles.
D'ores et déjà, des expériences sont menées sur Terre - comme en Italie (Virgo) ou aux États-Unis (Ligo) - grâce à des détecteurs séparés de plusieurs kilomètres pour déceler les passages légèrement décalés d'éventuelles ondes gravitationnelles. Pour le moment, sans grands resultats. Il faut dire que cela revient à mesurer une variation de la distance Terre-Soleil pas plus grande qu'un atome ! Sans doute le plus grand espoir de détection directe des ondes gravitationnelles repose-t-il dans les bras d'une certaine Lisa. Une mission de trois satellites, prévue pour 2018, tournant conjointement autour du Soleil en formant un triangle équilatéral parfait. La belle aura donc trois bras puisqu'on désigne ainsi l'écart de 5 millions de km qui sépare les satellites. Soit plus de 12 fois la distance Terre-Lune ! L'objectif de Lisa sera de mesurer, grâce à des rayons laser, les infimes variations de la longueur de ses bras au passage d'ondes gravitationnelles en provenance d'autres galaxies. Car elles abritent en leur cour des trous noirs très massifs qui parfois fusionnent entre eux, ou dévorent littéralement des astres compacts (étoiles à neutrons, trous noirs stellaires) qui s'en approchent de trop près. Ces cataclysmes sont si violents que les ondes gravitationnelles libérées devraient nous parvenir sans trop s'atténuer. En voilà un phénomène qui fait des vagues !

Tania Regimbau : Chercheuse à l'Observatoire de la Côte d'Azur.

La recherche des ondes gravitationnelles prévues par la relativité générale s'effectue à l'aide d'interféromètres comme Ligo et Virgo. Les chercheurs associés à ces deux instruments ont analysé deux ans d'observation de Ligo (Nature du 20 Août). Tania Regimbau, une des signataires de l'article, explique en quoi l'absence de détection par l'interféromètre américain est riche d'enseignements.

- L'article de Nature indique que les observations de Ligo n'ont pas permis de détecter les ondes gravitationnelles. Cela signifie-t-il que ces ondes n'existent pas ?
- Non, car nous avons déjà des preuves indirectes de leur existence par l'observation des systèmes doubles de pulsars (étoiles en rotation émettrices d'un signal radio). Reste maintenant à les détecter directement. Ces ondes peuvent provenir de sources individuelles : fusion de systèmes binaires d'étoiles à neutrons et de trous noirs, pulsars, supernovae, sursauts gamma... Mais il y a aussi un "fond stochastique", qui est la somme des ondes produites par toutes ces sources, et des ondes issues directement du big bang.

- Quel est l'intérêt de votre non-détection ?
- Nous avons ainsi fixé une limite supérieure à l'intensité du signal du fond stochastique, qui est liée à la sensibilité de Ligo. Cette valeur permet de fixer des limites sur les paramètres de certains modèles cosmologiques, en particulier celui de l'évolution de l'Univers très jeune à l'époque de l'inflation (une fraction de seconde après 10 big bang) et certaines variantes de la théorie des cordes.

- Comment faire pour parvenir à détecter les ondes gravitationnelles ?
- À l'horizon 2012-2014, des détecteurs Ligo et Virgo "avancés" offriront une sensibilité 10 fois supérieure. Et le télescope Einstein est à l'élude. Avec trois bras de 10 km de long, il pourrait révéler des sources d'ondes gravitationnelles encore inconnues et nous permettre de remonter au plus près du big bang.