Détections en chaîne d’événements étranges aux confins de l’espace-temps

Par  David Larousserie

Publié le 18 août 2020 à 15h00 – Mis à jour le 20 août 2020 à 07h04

https://www.lemonde.fr/series-d-ete/article/2020/08/18/detections-en-chaine-d-evenements-etranges-aux-confins-de-l-espace-temps_6049240_3451060.html

RÉCIT« La saga des ondes gravitationnelles » (5/6). L’instrument européen Virgo a permis d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’Univers faite de fusions de trous noirs, d’explosions d’étoiles, d’échos du Big Bang…

« 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 mille physiciens.

Cette collaboration qui a permis de détecter pour la première fois, en septembre 2015, des ondes gravitationnelles, comprend deux groupes, un aux Etats-Unis, LIGO, dirigé par David Reitze et réparti sur deux sites, et l’autre en Europe, Virgo, situé non loin de Pise, en Italie.

Ce dernier, qui n’était pas prêt, n’a cependant pas vu le premier le passage sur Terre de cette ondulation de l’espace-temps quasi imperceptible, qui ouvre une nouvelle fenêtre astronomique sur l’Univers. Le Nobel pour l’Amérique et l’amertume pour l’Europe. « Lors de cette annonce, il y avait de la joie bien sûr, mais tempérée par le fait que c’était les Américains qui l’avaient vue et pas nous », note Jean-Yves Vinet, ancien porte-parole de Virgo. « La frustration a été atténuée par une publication en commun et le partage des données », atténue Alain Brillet, à l’origine de Virgo. « On était un peu spectateurs de cet événement », reconnaît Nicolas Arnaud au laboratoire de physique des 2 infinis Irène Joliot-Curie.

Alors les équipes européennes, entre 2015 et 2017, mettent les bouchées doubles pour rattraper leur partenaire, avec qui elles espèrent voir leur première onde pour en localiser la source par triangulation. « Le management mettait la pression », se souvient Nicolas Arnaud. C’est le moment où, sur l’instrument de détection – un interféromètre ­laser –, les lames des atténuateurs sismiques se fissurent sans raison et, surtout, où les câbles de suspension en fibre de verre des miroirs cassent mystérieusement, contraignant à revenir aux bons vieux câbles d’acier. En fait, des micropoussières se baladaient dans l’expérience et tapaient les précieux fils.

La chasse aux bruits bat son plein pour « calmer » le détecteur et limiter au maximum les vaguelettes sur lesquelles surfera un clapotis gravitationnel. Plus les vagues sont petites, plus ces nouvelles ondulations deviennent repérables.

Mais parvenir à régler l’engin est délicat. Des parasites sont contrés en bougeant en opposition des pièces. D’autres sont calculés et retranchés des signaux. « On peut passer un mois à régresser et un jour à progresser. Ce n’est pas linéaire. Ce n’était pas facile à vivre », se remémore Nicolas Arnaud.

Interminables réglages

En février 2017, le « calme » tient quinze minutes. En mars, une heure. Il faut deux heures pour considérer que l’instrument est stable.

Un autre critère, la sensibilité, est lui aussi en dessous des attentes. En mai, elle est quatre fois moins bonne que la version précédente de Virgo et plus de six fois en dessous des espérances. En juin, cette sensibilité triple. Et le 14 juillet, elle double encore. Le 1^er août, Virgo rejoint officiellement ses deux compagnons américains.

« Nous étions sur une crête. Deux semaines avant, nous n’étions pas prêts. Oui, nous aurions pu échouer. Je suis content, mais réaliser à quel point nous avons été près d’échouer est dramatique », témoigne Jo van den Brand, le porte-parole de l’époque à Virgo, dans le livre The Big Noted’Angela Feo (Pacini Editore, 2017, non traduit).

Et deux semaines plus tard, le 14 août, victoire, les deux bras laser de Virgo tremblotent au passage d’une onde, créée par la spirale fatale de deux trous noirs, à 1,8 milliard d’années-lumière de là.

« J’ai sauté de joie sur la plage. Ma femme faisait semblant de ne pas me connaître », se souvient, encore tout heureux, Giovanni Losurdo, actuel porte-parole de Virgo, qui avait pris ses premières vacances depuis des mois avec sa famille, juste après le début des opérations. « On était plus contents que pour 2015 », témoigne Matteo Barsuglia, du laboratoire astroparticules et cosmologie de Paris-Diderot, auteur de Les Vagues de l’espace-temps (Dunod, 2019), faisant référence à la détection, en septembre de cette année-là, d’une onde par LIGO.

Feu d’artifice et angle mort

Trois jours plus tard, la fête continue avec un événement encore plus exceptionnel pour la science. Cette fois sont perçues les ondes gravitationnelles non pas d’une paire de trous noirs, mais d’étoiles à neutrons, des objets très compacts mais moins massifs (jusqu’à 2,5 Soleils concentrés dans quelques kilomètres de rayon).

Et mieux encore, l’alerte envoyée automatiquement a permis de pointer des dizaines de télescopes spatiaux et terrestres vers l’étonnant ballet pour observer un véritable feu d’artifice : des rayons gamma (2 secondes après l’onde gravitationnelle), de la lumière (10 h 52 après), de l’infrarouge (11 h 36), de l’ultraviolet (15 h), des rayons X et des ondes radio plusieurs jours après – autant de témoins des phases successives de l’explosion. Ne manque qu’une bouffée de neutrinos pour être complet. Les astronomes sont ravis. Pour eux, cette mort de deux étoiles à neutrons par fusion est une sorte de chaudron d’où émergent des noyaux atomiques lourds comme l’or ou le platine._{Article réservé à nos abonnés} Lire aussi Enquête sur de bonnes vibrations de la physique

L’étonnant est que Virgo, qui avait tremblé trois jours plus tôt pour sa première détection, n’a cette fois rien vu… mais a été fort utile. Cela a permis de mieux localiser la source. En effet, l’absence d’agitation dans le détecteur en fonctionnement signifie que l’onde venait de son angle mort, à la position bien connue.

« Les détections se sont enchaînées à un rythme de presque une par semaine », résume Stavros Katsanevas, directeur d’EGO, l’Observatoire gravitationnel européen, dans son bureau près de l’instrument Virgo. La routine s’installerait-elle ? « On n’a pas le temps de s’ennuyer », prévient Marco Drago, chercheur associé à l’Institut national de physique nucléaire italien et membre de l’équipe Virgo.

« La première découverte n’était pas une fin en soi, c’est quelque chose qui démarre. On guette le bizarre et l’original. » Frédérique Marion, astrophysicienne

« Il y a encore des sceptiques sur la détection de 2015 ! », soupire David Shoemaker, ancien porte-parole de LIGO au Massachusetts Institute of technology (MIT). Fin 2018, un groupe de l’Institut Niels-Bohr, au Danemark, conteste en effet qu’il se soit passé quelque chose de cosmologique dans les deux instruments de LIGO, analyse statistique à l’appui.

Branle-bas de combat, une équipe de LIGO débarque à Copenhague pour éclaircir la situation. Aucune erreur n’est trouvée et LIGO confirme son résultat, appuyé également par une équipe indépendante à partir des mêmes données. Mais les « Danois » ne désarment pas et publient de nouvelles contestations, toujours sur le premier événement. « Pour la majorité de la communauté, leurs idées ne sont pas jugées crédibles », tranche David Shoemaker. En outre, d’autres observations ont été ajoutées depuis, et celle du 17 août 2017 a été confirmée par des dizaines de télescopes. Une équipe de Princeton a même trouvé de nouvelles fusions, « cachées » dans les données rendues publiques par LIGO/Virgo._{Article réservé à nos abonnés} Lire aussi Friture sur les ondes gravitationnelles

Et puis, à intervalle régulier, des surprises arrivent, donnant lieu à publication (les événements « normaux » font simplement l’objet d’alertes et de compilations dans un catalogue mis à jour régulièrement).

Fréquences harmoniques

Ainsi, le 12 avril 2019, un couple très asymétrique de trous noirs, sorte de « Laurel et Hardy cosmiques », est repéré à 2,4 milliards d’années-lumière de distance. L’un fait huit masses solaires seulement, quand l’autre en fait trente. Ce genre de couple déséquilibré a permis de confirmer que, comme un instrument de musique, il génère, en plus de la fréquence principale de l’onde, des fréquences harmoniques.

Le 25 avril 2019, une deuxième paire d’étoiles à neutrons est identifiée parmi les plus lourdes connues, plus de 3,5 fois la masse du Soleil au total. De quoi affiner les connaissances sur ces étoiles, véritables laboratoires de physique des particules. Mais toujours pas de réponse à la question : quel est l’objet final ? Trou noir ou étoile à neutrons ?_{Article réservé à nos abonnés} Lire aussi Une nouvelle détection d’ondes gravitationnelles étonne les astronomes

Le 14 août 2019, encore une surprise plus déséquilibrée que le premier couple Laurel et Hardy. Un trou noir de 26 fois la masse du Soleil spirale autour d’un objet de 2,6 fois la masse du Soleil, impossible à qualifier. Il est un peu plus lourd que le maximum théorique pour une étoile à neutrons et très léger pour un trou noir. Une telle paire défie encore les astrophysiciens.

« La première découverte n’était pas une fin en soi, c’est quelque chose qui démarre. On guette le bizarre et l’original », apprécie Frédérique Marion, du laboratoire de physique des particules d’Annecy.

Des signaux captés toutes les heures

« Les prochaines phases d’amélioration des détecteurs devraient permettre d’enregistrer une détection par jour à partir de janvier 2022 si un coronavirus ne vient pas perturber nos plans. Puis, en 2025, un événement toutes les heures », prévoit Stavros Katsanevas.

Pour ce faire, Virgo ajoutera un élément déjà présent sur LIGO afin d’augmenter la qualité des photons sur le détecteur. Les ingénieurs introduiront aussi un « régulateur » de photons afin de diminuer les perturbations dues à leur arrivée aléatoire. Cela a déjà permis d’augmenter la sensibilité pour les ondes de haute fréquence, mais cette fois ce sera également un gain pour les basses fréquences.

Ensuite, pour 2025, le faisceau laser sera plus large et les miroirs plus gros, passant de 40 kilogrammes à 100 kilogrammes.

De quoi poursuivre un programme scientifique déjà très riche pour les quatre groupes d’analyse divisés en fonction du type de sources qu’ils recherchent. Il y a celui des chanceux, qui étudient des signaux transitoires, qui s’évanouissent après quelques oscillations comme lors de tous les événements détectés jusqu’alors, correspondant à des coalescences ou fusions d’objets compacts.

Il y a le groupe des historiques qui espère voir ce que les pionniers avaient dans le collimateur, à savoir des explosions de supernovae, des événements rares et qui n’émettent des ondes gravitationnelles que dans certaines circonstances. Ou toute autre explosion ou bouffée inédite.

Il y a les patients qui guettent des signaux qui durent longtemps, périodiques, émis par des pulsars (une étoile à neutrons qui émet des bouffées régulières d’ondes radio). Il faut accumuler le plus de données possible pour que la modulation faible se distingue dans le brouhaha. Ils seront peut-être les prochains à avoir une heureuse surprise.

Enfin, il y a ceux qui chassent un nouveau prix Nobel en espérant voir la « marée » d’ondes gravitationnelles émises au moment du Big Bang. « C’est très excitant, mais les chances sont minces aujourd’hui. On ignore la forme du signal qui ressemble à du bruit, en fait. Un bruit de la nature, peut-être émis aux premiers moments de l’Univers », résume Giancarlo Cella, responsable de l’analyse des données pour Virgo.

La conquête de ce nouveau Graal est une autre histoire… qui a en fait déjà commencé.