Ondes gravitationnelles et trous noirs binaires

Conférence de Thibault DAMOUR à la Faculté des sciences de Montpellier 14/03/2018

Thibault DAMOUR est un physicien théoricien français, spécialiste de le relativité générale et de la théorie des cordes. Il a été récompensé par la médaille d’or du CNRS en 2017 pour ses contributions majeures à la détection des ondes gravitationnelles, avec Alain BRILLET.

Il a mis au point, avec l’aide de collaborateurs, une nouvelle méthode qui a permis la première description complète d’une onde gravitationnelle engendrée par la collision de deux trous noirs.

Thibault DAMOUR est venu présenter brièvement ses travaux à la Faculté des Sciences de Montpellier lors d’une conférence à laquelle j’ai eu le plaisir d’assister. Voici donc ce que j’ai pu retenir de cette intervention, avec quelques éléments de contexte nécessaires à la compréhension des travaux du physicien.

Grâce à Einstein, nous avons une vision élastique de notre univers. Ce grand physicien du vingtième siècle nous apprend que notre univers est fait d’un tissu particulier : de l’espace et du temps, mélangés. Cet « espace-temps » est élastique, ce qui veut dire qu’il peut se déformer. Cela permet d’expliquer la gravitation comme une pente sur laquelle glissent des objets attirés par une masse.

C’est très facile : prenez une nappe, tendez-la au dessus du sol. Maintenant vous y placez une boule de pétanque par exemple. La boule, en raison de sa masse, va créer un creux au milieu de la nappe et y générer des pentes. Posez une balle de ping-pong sur la nappe : elle va glisser sur une pente formée par la boule de pétanque, comme attirée par cette dernière. La nappe, c’est l’espace-temps, la boule de pétanque, c’est une planète, et la pente c’est la gravité !

Maintenant que nous comprenons que notre univers est déformable car fait d’un tissu appelé espace-temps, nous pouvons comprendre la nature et les effets causés par une onde gravitationnelle.

Une onde gravitationnelle est une onde qui traverse cet espace-temps. Un pierre jetée dans un cours d’eau tranquille produit des ondes à sa surface. De même, certains phénomènes très puissants peuvent être capables de générer des ondes dans l’espace-temps.

Les conséquences de ces ondes deviennent observables. Comme les ondes gravitationnelles déforment l’espace-temps, les distances vont être déformées elles aussi. La distance qui sépare deux objets va changer, non pas en raison de l’éloignement de ces objets, mais parce que l’espace lui-même est déformé. Ce phénomène peut se produire lors de la collision de deux trous noirs binaires.

Le trou noir se forme lors de l’effondrement d’une étoile qui devient trop lourde : la toile de l’espace-temps craque sous la masse de l’étoile. Il n’y a donc ni espace ni temps dans un trou noir.

Cette violente rupture de l’espace-temps s’appelle un « trou noir » car la lumière ne peut en sortir. L’effondrement de l’étoile formant le trou noir se fait à la vitesse de la lumière. Pour sortir de ce trou, la lumière doit remonter la pente de l’espace-temps créée par l’effondrement de l’étoile. La lumière essaie de remonter ces pentes qui se forment à la vitesse… de la lumière ! Elle ne peut donc jamais sortir. C’est comme si vous étiez sur un Escalator qui descend et que vous essayiez de monter. L’escalier descend à une certaine vitesse. Si vous montez les marches à la même vitesse, vous vous rendrez compte que vous n’avancez pas : vous stagnez. C’est exactement la même chose lorsque la lumière essaie de sortir du trou noir.

Un système binaire est un système formé de deux objets (des trous noirs, ici) qui tournent. Ce sont les systèmes binaires qui génèrent des ondes gravitationnelles.

Lorsque les deux trous noirs tournent, il émettent des ondes gravitationnelles. Lorsqu’ils sont loin l’un de l’autre, les ondes émises sont faibles.

L’émission d’une onde entraine une perte d’énergie du système. Cette perte d’énergie est compensée par le rapprochement et l’augmentation de la vitesse de rotation des deux trous noirs. Les trous noirs se rapprochent et accélèrent de plus en plus, jusqu’au moment où ils entrent en collision. À ce moment là, les deux trous noirs fusionnent en un seul : le système produit une onde gravitationnelle d’une très grande puissance.

Ce sont les conséquences d’une onde de ce type qui ont été détectées pour la première fois sur Terre en 2015 par les détecteurs LIGO (ci-contre, en Louisiane) et VIRGO (en Europe). Ces derniers ont détecté une faible déformation géométrique des distances, conséquence d’un onde gravitationnelle. La détection de cette déformation prouve donc l’existence des trous noirs.

Il est très difficile de prévoir la « forme » d’une onde gravitationnelle. Une des méthodes utilisées est celle du développement de Taylor, qui consiste à approximer la courbe d’une fonction en calculant un maximum de termes à partir de la formule de Taylor. Cette méthode reste une approximation insatisfaisante. La méthode EOB (sur laquelle travaille Thibault DAMOUR) permet une approximation bien plus précise. Grâce à cette méthode, il est possible de prévoir la courbe que fera l’onde gravitationnelle : sa « forme ».

Il est donc possible de comprendre cette onde. Au fur et à mesure, les périodes sont plus courtes et leur amplitude plus grande : cela traduit la variation de distance entre les deux trous noirs, ainsi que leur variation de vitesse de rotation.

Le signal reçu après la fusion des trous noirs permet de déterminer la structure des deux trous noirs qui ont fusionné.

Les ondes gravitationnelles sont une source riche, mais encore difficile à exploiter. Elles ont été détectées et permettront à l’avenir une nouvelle approche de la physique, qui nous apprendra encore énormément de choses sur les trous noirs, et sur notre univers.

Images :

© Bertrand Deprez

© Corbis Bettmann

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http://images.math.cnrs.fr/La-detection-des-ondes-gravitationnelles.html