Un siècle pour valider la prédiction d’Einstein, cinq mois pour l’annoncer : le secret bien gardé des ondes gravitationnelles
Publié le 21 juillet 2020 à 01h08 – Mis à jour le 17 août 2020 à 14h45
RÉCIT« La saga des ondes gravitationnelles » (1/6). Septembre 2015 : une infime ondulation de l’espace-temps est détectée par de nouveaux instruments. Les prédictions d’Einstein étaient justes ! Mais cette découverte capitale sera, dans un premier temps, cachée au public…
« Nous l’avons fait ! » Ce 11 février 2016, à Washington, David Reitze savoure les applaudissements déclenchés par cette exclamation. Ils saluent un exploit attendu depuis un siècle, réalisé par une vaste collaboration internationale de quelque 1 000 physiciens. Pour la première fois, un signal extraterrestre d’une nature inconnue jusqu’alors vient d’être identifié. Ce n’est pas une onde radio, ni un flash lumineux, ni même une bouffée de particules cosmiques. C’est une infime ondulation de l’espace-temps, qui fait trembloter notre Univers comme la main maladroite d’un serveur agiterait du veau en gelée, selon la comparaison culinaire qu’aime à utiliser Thibault Damour, professeur à l’Institut des hautes études scientifiques.
Cette secousse originale a été engendrée il y a 1,4 milliard d’années quand, sur Terre, la vie balbutiait. Lancée à la vitesse de la lumière, elle a fait frémir moult galaxies avant de caresser la nôtre. Et, le 14 septembre 2015 à 11 h 50 et 45 secondes (heure de Paris), elle a réveillé un détecteur situé au milieu d’une forêt de Louisiane, à Livingstone. Avant de faire de même, 7 millisecondes plus tard, sur un instrument jumeau du premier dans un désert de l’Etat de Washington à Hanford, à près de 4 000 kilomètres de là. Inarrêtable, 0,2 seconde plus tard, elle disparaissait du radar et poursuivait sa route à travers l’espace et le temps.
La danse macabre de deux trous noirs
A l’origine de ce mini-cataclysme cosmique, un combat de géants, dans une galaxie inconnue du ciel austral : deux trous noirs plus massifs que trente fois le Soleil – mais 7 000 fois plus petits que lui – se tournent autour à raison de 75 tours par seconde. Ils se rapprochent, se rapprochent encore et, dans une spirale infernale, se déchirent et fusionnent, perdant une masse équivalente à celle de trois soleils. Ce choc déforme l’espace-temps jusqu’à nous, telles les vaguelettes causées par le jet d’un caillou à la surface d’un étang calme. A la fin de cette danse macabre, il reste un nouveau trou noir qui, comme une cloche vibrant après un choc, finit par retrouver son calme.Lire aussi Les ondes gravitationnelles détectées un siècle après avoir été prédites
Le 11 février 2016, une pluie de premières a en fait été annoncée par David Reitze, directeur de LIGO, l’une des branches de la collaboration LIGO/Virgo, du nom des instruments impliqués respectivement aux Etats-Unis et En Europe. Première détection terrestre de ces ondes gravitationnelles prévues par la relativité d’Einstein énoncée en1916. Première observation de deux trous noirs en rotation. Première fusion de ces deux géants. Premiers trous noirs recensés avec de telles masses.
« Mais pourquoi ces chercheurs ont-ils décidé de garder leur secret pendant cinq mois ? Ils auraient pu dire au public qu’ils avaient quelque chose d’intéressant mais qu’il restait du travail à faire pour le confirmer », regrette Harry Collins, sociologue des sciences à l’université de Cardiff (Royaume-Uni), embarqué dans l’aventure des ondes gravitationnelles depuis 1972. Evidemment, les physiciens ne partagent pas ce point de vue.
« On voyait le signal à l’œil »
« Nous devions éviter la précipitation qui avait marqué d’autres annonces précédentes », explique Jean-Yves Vinet, de l’observatoire de la Côte d’Azur, à Nice. Il pense notamment au « tremblement de terre » de septembre 2011, lorsque des physiciens pensaient avoir vu une particule filant plus vite que la lumière (une erreur expérimentale sera trouvée). Ou à celui de mars 2014, quand la collaboration Bicep annonce avoir vu dans son télescope des ondes gravitationnelles venues du Big Bang (l’observation avait une origine moins spectaculaire).
« Au bout d’une semaine nous savions qu’il y avait quelque chose de sérieux, mais psychologiquement je n’étais pas encore prêt à l’admettre. » David Shoemaker, membre de LIGO
« Le signal était assez fort. On le voyait à l’œil », rappelle Marco Drago, alors membre du groupe d’analyse de données de LIGO/Virgo. Le décalage horaire fait que l’Europe reçoit l’alerte automatique avant le réveil des Californiens. Aussitôt le chercheur envoie un message à ses collègues à propos de cet « événement intéressant », qu’il conclut en posant une question étrange pour les non-spécialistes : « Quelqu’un peut-il confirmer qu’il ne s’agit pas d’une injection matérielle ? » Le chercheur veut s’assurer qu’un faux signal n’a pas été créé volontairement par ses collègues pour tester l’instrument.
Cinq ans plus tôt, en septembre 2010, la collaboration avait observé une ondulation prometteuse en provenance de la constellation du Grand Chien. Un article décrivant la découverte avait même été écrit et allait être envoyé à la revue Physical Review Letters (PRL). Mais, en mars 2011, les directeurs de l’expérience ont révélé que le signal était un leurre introduit par leurs soins pour tester les procédures de vérification… « Nous étions déçus même si beaucoup pensaient déjà qu’il s’agissait d’une injection. Cela nous a permis d’améliorer nos procédures », se souvient Eric Chassande-Mottin du laboratoire Astroparticule et cosmologie.Lire aussi Les ondes gravitationnelles en quatre questions
En 2015, les physiciens n’attendront pas longtemps pour être certains qu’ils n’avaient pas affaire à une sorte de canular. En effet, l’instrument n’était pas encore prêt ! Le lancement de la prise de données n’était prévu que quelques jours plus tard. Aucune injection n’était donc possible. « Au bout d’une semaine nous savions qu’il y avait quelque chose de sérieux, mais psychologiquement je n’étais pas encore prêt à l’admettre », se souvient David Shoemaker, chercheur au MIT, l’Institut de technologie du Massachusetts, et membre de LIGO. « Les premiers jours je ne savais pas quoi penser. Il y avait de la joie mais aussi beaucoup de travail à faire », complète Marco Drago. Dans sa boîte mail, Harry Collins enregistre 140 messages en deux jours liés à l’événement GW150914, le nom qui lui restera. Un temps proposés, « Hulk » ou « Albert », en référence à Einstein, ne survivront pas.
Stricte confidentialité
Le 21 septembre, un message des directeurs de LIGO/Virgo appelle à une stricte confidentialité et fournit même des éléments de langage. « Avez-vous quelque chose ? » Réponse : « Nous partagerons les résultats quand ils seront prêts. » Le 25, la procédure de vérification est enclenchée. Le comité de détection, inactif depuis l’épisode du Grand Chien, est réveillé. Ses quinze « sages », des chercheurs expérimentés, doivent s’assurer que les différents groupes font du bon travail. « C’est avec ceinture et bretelles,indique Frédérique Marion, du Laboratoire d’Annecy de physique des particules, coprésidente de ce comité à l’époque. Il y avait déjà de l’excitation et on sentait qu’on était peut-être en train de faire l’histoire. Mais nous avions une conscience aiguë de notre responsabilité. Il fallait apporter des éléments clairs et convaincants. »
Entre le 25 septembre 2015 et le 11 février 2016, ce comité se réunira vingt-quatre fois. Sa première décision est de « geler » l’instrument, c’est-à-dire de ne plus le toucher, alors qu’il aurait dû l’être encore un peu pour sa mise en route officielle. Des cadenas sont posés sur des portes. En effet, pour espérer voir un signal anormal, encore faut-il connaître le comportement normal du détecteur et avoir pu le laisser fonctionner quelque temps.
Un des arguments forts en faveur de la détection est que le signal a été vu de manière concomitante par deux instruments très éloignés. « Mais il fallait s’assurer qu’aucun autre phénomène qu’une onde gravitationnelle ne pourrait “corréler” les deux appareils », rappelle Eric Chassande-Mottin. Or des phénomènes électromagnétiques globaux peuvent créer cette illusion. Ainsi un orage au Burkina Faso a eu des effets simultanés à Hanford et à Livingstone.
Le 25 octobre, une téléconférence interne marque les esprits. Matthew Evans, du MIT, a été chargé d’étudier l’hypothèse un peu folle d’un faux signal créé non pas par les chefs de l’expérience mais par des individus malveillants. Un « hacking » ! Les conclusions sont rassurantes : il aurait fallu des complicités inimaginables pour leurrer tout le monde.
Une douzaine de versions
En parallèle, une équipe chargée de préparer l’article annonçant au monde entier la découverte est formée. « La pression était forte car nous préparions un article historique. Les collègues nous le faisaient sentir, se souvient Eric Chassande-Mottin, un des six membres de ce groupe d’écriture. Il fallait que l’article s’adresse à une audience plus large que la communauté des spécialistes. Nous devions être clairs, complets, en évitant le jargon. Tout en étant scientifiquement irréprochables. »
« Sans doute que ma femme s’est doutée de quelque chose lorsque je passais un peu trop de temps aux toilettes en visioconférence pour m’isoler durant cette période » Un membre de LIGO
Plus d’une douzaine de versions de l’article ont été soumises aux chercheurs. Des votes pour prendre le pouls de la collaboration ont été organisés. Faut-il mentionner LIGO dans le titre (ce sera non) ? Faut-il parler de détection directe ou indirecte ? Ce détail a son importance car, en 1974, une paire d’objets cosmiques (des pulsars) est observée, dont le comportement évolue à mesure qu’ils émettent des ondes gravitationnelles. Cela vaudra à ses découvreurs, Russell Hulse et Joseph Taylor, le prix Nobel en 1993 pour cette confirmation des prédictions de la relativité générale et la preuve indirecte de l’existence des ondes gravitationnelles. Les physiciens de 2015 ne pouvaient donc pas revendiquer une première découverte.
Un autre débat agite bientôt la communauté. Le 26 décembre, un nouveau signal est détecté ! « Cela nous a rassurés et a compté dans notre conviction de la solidité du premier résultat », indique Matteo Barsuglia, auteur de Les Vagues de l’espace-temps (Dunod, 2019). Pourtant les chercheurs décident de ne pas en parler dans leur article. Harry Collins s’étonne encore de cette précaution. La raison est qu’il aurait aussi fallu vérifier tant de choses que la première annonce en aurait été retardée.
Le 19 janvier 2016, l’ensemble des preuves est présenté à la collaboration et l’article est envoyé dans la foulée à PRL. « Sans doute que ma femme s’est doutée de quelque chose lorsque je passais un peu trop de temps aux toilettes en visioconférence pour m’isoler durant cette période », témoigne un membre de LIGO/Virgo. « Je n’ai même rien dit à mon conjoint ou à mes chefs », jure un autre. « A partir du 14 septembre, c’était comme un rêve mais, le 11 février, j’y croyais enfin », assure Marco Drago. « C’était la période la plus intense et euphorique de ma carrière. Des moments uniques. On savait que c’était une longue quête. On mesure la chance d’y avoir participé », s’enthousiasme Frédérique Marion. « Un truc impossible à faire est devenu possible », apprécie Harry Collins.
L’aboutissement de plus de quarante ans d’histoire, faite de rivalités, de persévérance, de rebondissements, d’espoirs et de doutes. Avec, au bout, le Nobel, en 2017.Lire aussi La détection d’ondes gravitationnelles primée par le Nobel de physique
Ce 11 février, tout le monde est donc content.
Ou presque, car une partie de la grande équipe, les Européens de Virgo, n’a rien vu dans son détecteur, pas encore prêt. De plus, ce jour-là, face à David Reitze, un fantôme hante la salle…
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