Prix Nobel de physique 2017 : couronnement d’Einstein

Un nouvel oeil ouvert sur l’univers!

Le prix Nobel de physique a été attribué le 3 octobre dernier à trois Américains : Rainer Weiss, 85 ans, Barry Barish, 81 ans, et Kip Thorne, 77 ans. Ils sont récompensés pour une découverte qui marquera certainement l’histoire de la physique : ils ont, pour la première fois, détecté expérimentalement une onde gravitationnelle.

Albert Einstein en avait supposé l’existence dès 1916. Dans sa théorie de la relativité, le scientifique énonce la relation entre espace et temps. Pour le dire simplement, c’est comme si l’univers était une toile ou une nappe géante : chaque objet – planète, étoile… – est comme une boule qui pèse sur cette nappe et y entraîne une déformation. Si une boule (1) très lourde est posée et que l’on en approche une boule (2) moins lourde, plus celle-ci se rapproche, plus elle est attirée : en effet, la boule (1) crée dans la nappe une déformation, une « pente », qui entraîne vers elle la boule (2).

Toutefois, Einstein ne s’illusionnait pas, persuadé qu’il était que, ces ondes étant très faibles, ne déployant que peu d’énergie, nous ne les détecterions jamais. Et pour cause ! L’énergie théorique émise par l’univers tout entier sous forme d’ondes gravitationnelles est d’environ 5000 Watts, soit l’équivalent d’un seul projecteur de stade de football ! On commence alors à mesurer la prouesse réalisée. Comment s’y sont-ils pris ? À l’aide d’un interféromètre de Michelson. Ce type de montage est usuellement réalisé par les élèves étudiant la diffraction des ondes : une source laser émet un faisceau lumineux qui est envoyé dans deux bras perpendiculaires et réfléchi par des miroirs. Ensuite, leur rencontre fait apparaître des interférences. Ces dernières sont connues dans leur forme habituelle et changent suivant des facteurs extérieurs influents, notamment lesdites ondes. Le montage utilisé est généralement d’un ordre de grandeur d’un mètre environ.

Pour nos scientifiques, les bras perpendiculaires mesuraient 3 km ! Et ils ont réalisé deux montages, espacés de 3000 km. La cause n’en est pas leur attrait pour les grandeurs, mais précisément l’extrême sensibilité des interféromètres, nécessaire pour mesurer ces ondes très faibles. En effet, tout, y compris les facteurs parasites, est détecté : une taupe qui creuse à proximité, une voiture qui passe au loin. Par conséquent, il faut deux montages : si l’on capte deux fois exactement le même signal, ce n’est probablement pas le fait d’un signal parasite. C’est exactement ce qui s’est passé le 14 septembre 2015, lorsque nos trois nobélisés ont détecté l’onde gravitationnelle générée par la collision de deux trous noirs.

Cette découverte est riche de conséquences. Si l’on veut un équivalent, c’est un peu comme la découverte du télescope à lunette. Ces montages sont en effet en quelque sorte comme un nouvel œil ouvert sur l’univers. En en créant de nouveaux et de plus grands, nous parviendrons à mesurer des ondes de plus en plus faibles, ce de plus en plus fréquemment.