20140331

Tout sur les ondes gravitationnelles

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On aurait découvert des ondes gravitationnelles dans le fond diffus cosmologique. Oh la belle affaire. Il parait que c’est révolutionnaire. Ah bon? Mais, heu, c’est quoi ce machin ?


Pour bien comprendre de quoi on parle, il faut replacer le sujet dans son contexte. Et, pour ça, on va parler d’expansion de l’univers, de big bang, de fond diffus cosmologique et de relativité générale. Ouais mon pote. Et même que tu vas tout comprendre.
Tout commence à l’aube du XXème siècle. A l’époque, on sait déjà que les planètes tournent autour du Soleil, grâce aux participations de Kepler, Galilée et Copernic. Une première révolution qui avait profondément modifié notre vision de l’univers : les étoiles ne sont pas situées quelque part sur une voûte nous surplombant, mais nous faisons partie d’un vaste ballet encore inconnu.
D’observations en découvertes, l’univers s’étend petit à petit. Tout cela ne semble qu’une collection d’objets célestes vaguement visibles à travers des télescopes bien rudimentaires. On imagine que, voilà, l’univers est vaste. On comprend que notre Soleil fait partie d’un ensemble d’étoiles. On découvre de petits objets diffus, lointains, qu’on appelle nébuleuses … Mais qu’est-ce ? se demande le savant.  Et paf, voilà Vesto Slipher.

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L’EXPANSION DE L’UNIVERS

Avec lui, on comprend de mieux en mieux comment fonctionne la lumière. Et notamment le fait qu’il y a plusieurs couleurs, qui dépendent en fait de la longueur d’onde : de l’infrarouge à l’ultraviolet, il y a plein de lumières différentes.
En passant tout ça à travers des filtres, on peut décomposer n’importe quelle lumière dans l’ensemble de ses « couleurs » : c’est la spectroscopie. Ces différentes couleurs nous apprennent beaucoup de choses sur l’objet qui a émis la lumière. Par exemple sa température. Ou même les éléments chimiques qu’il contient.
Vesto Slipher, en étudiant les nébuleuses, découvre qu’il y en a qui s’éloignent de nous. Il le voit grâce à l’effet Doppler : la lumière est une onde, comme le son. Lorsqu’une ambulance s’approche de vous, le son n’est pas le même que lorsqu’elle s’éloigne. Si vous imitez le bruit d’une formule 1 qui passe devant vous, vous ferez un bruit aigu avant puis plus grave après : en fait la longueur d’onde du son est modifiée par la vitesse de la voiture. Quand elle s’approche, le son se décale vers les aigus. Quand elle s’éloigne, vers les graves.
Pour la lumière, c’est pareil : la lumière qui s’approche est décalée vers le bleu, et celle qui s’éloigne vers le rouge. Et, en 1914, Slipher s’est dit : « Tiens ! Certaines nébuleuses tirent vers le rouge ! » Il faudra attendre les observations de Hubble, en 1925, pour trancher : ces nébuleuses sont en dehors de notre galaxie. En fait, ce sont elles-mêmes des galaxies, qui s’éloignent de nous à grande vitesse !

LA RELATIVITE GENERALE

En 1915, Albert Einstein a produit tout seul, comme un grand, l’une des deux plus grandes théories de la physique du XXème siècle : la relativité générale. Il a expliqué avec précision comment fonctionnait la force de gravitation, et comment elle modelait l’espace entier. Avant cela, Newton nous avait bien aidés, en expliquant que deux objets qui ont une masse s’attirent mutuellement. Mais Einstein, lui, a découvert quelque chose de formidable, et ce dès 1907 : la relativité restreinte.
La composition des vitesses, découverte par Galilée, est imprécise. On pense tous intuitivement que si vous marchez sur un tapis roulant, votre vitesse totale est la somme de celle du tapis plus celle de votre marche. Ça parait même bête comme chou. Eh bien Einstein s’est réveillé, un matin, alors qu’il s’emmerdait à archiver des brevets à Berne, en se demandant ce qu’il se passerait s’il chevauchait un morceau de lumière, un photon.
Et, à force de concentration, il a découvert une chose : vous ne pouvez pas aller plus vite que la lumière. La conséquence est effrayante et très difficile à comprendre : si vous marchez à 75% de la vitesse de la lumière sur un tapis qui roule à 75% de la vitesse de la lumière, votre vitesse ne sera pas 150% de la vitesse de la lumière.
Plus vous vous en rapprochez, plus les distances et le temps se contractent, pour que vous ne la dépassiez jamais. Cela crée des distorsions entre votre espace-temps et celui du monde qui vous entoure. Donc le temps s’écoule différemment.
De quoi se faire de vrais nœuds au cerveau. Et, croyez moi, il a raison, on l’a déjà vérifié des milliers de fois ! En 1917, Einstein a réussi à inclure cette théorie dans celle de Newton, pour expliquer la gravitation en rajoutant ces histoires bizarres d’espace temps variable : la conséquence c’est que l’espace entier est entièrement modifié par la masse qu’il contient . Il se déforme, il se courbe, et les trajectoires sont déviées en fonction de la masse.
Tout cela est bien difficile à appréhender par le grand public et il faudrait plus que ce simple article. Mais, rassurez vous, à l’époque même les plus grands scientifiques étaient dubitatifs et trouvaient tout cela bien farfelu.

LE BIG BANG

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En 1927, pourtant, la relativité générale commence à être bien acceptée. On a observé de la lumière venant de derrière le Soleil être légèrement déviée : en passant à côté du Soleil, les rayons ont été déviés par sa masse, comme s’il s’agissait d’une grosse boule posée sur une toile tendue qui l’aurait un peu déformée en s’enfonçant. Exactement ce qu’avait prédit Einstein, et avec grande précision.
Un certain Lemaître triture un peu les équations d’Einstein, comme ça pour passer le temps. On doit s’emmerder un peu quand on est chanoine belge. Et là il s’aperçoit que l’univers décrit par les équations ne peut pas être statique. On ne peut pas avoir juste de la masse, comme ça, répartie partout et qui déforme le tissu de l’espace sans bouger : ça doit forcément s’étirer ou se contracter.
Et là on repense aux observations d’Hubble. Les nébuleuses sont des galaxies qui s’éloignent. Et si l’Univers était en pleine expansion ? Le mieux, pour se le représenter, c’est d’imaginer un cake aux raisins. Vous mettez la pâte, qui représente l’espace, dans un moule avec plein de raisins, qui représentent les galaxies. Quand vous mettez tout ça au four, ça va gonfler : chaque grain de raisin va s’éloigner de tous les autres. Eh bien c’est exactement ce qu’on observe. Pas besoin d’être au centre de l’Univers pour ne voir que des galaxies qui s’éloignent : chaque grain de raisin du cake a aussi l’impression que tout le monde le fuit.
Mais si on repasse le film à l’envers, que se passe-t-il ? Eh bien les galaxies se rapprochent, se rapprochent, et …. et quoi ? « Et elles se rentrent dedans et ça fait un gros crac, un Big Bang ? LOL », houspillent les détracteurs de cette théorie. Tout cela est bien ridicule, et pure spéculation, pensent-ils.

LE FOND DIFFUS COSMOLOGIQUE

Pendant que tout le monde s’engueule sur ces histoires de Big Bang et d’expansion de l’Univers, Einstein essaie vite fait de rebricoler ses équations pour faire de l’Univers un monde statique. Il considérera ce bricolage comme la pire erreur de sa vie… Comme quoi, il ne faut pas se laisser diriger par ses a priori.
Pourquoi ? Parce que voilà qu’arrivent, en 1964, Penzas et Wilson. Ces deux-là pestent et vitupèrent. Radioastronomes, ils voulaient s’amuser à sonder la voie lactée. Comme ça, pour le fun. Alors ils ont récupéré des antennes de communication qu’on ne trouve pas dans le grand commerce, puisqu’elles servaient à communiquer avec deux des tout premiers satellites. Les mecs ils bossent chez Bell Téléphone quand même, alors ils se sont pas équipés à la Foirefouille !
Et, pour faire les choses proprement, ils veulent étalonner leur antenne.  Vous savez, quand vous voulez mesurer quelques grammes de quelque chose avec une balance de cuisine, parfois, avant de commencer, elle affiche déjà quelque chose : on la remet alors à zéro en appuyant sur un bouton. Ça s’appelle la tarer. Eh bien là, c’est un peu pareil. Ils veulent savoir ce qu’elle mesure à vide, cette antenne.
Alors ils visent un coin bien paumé de l’Univers et ils regardent. Et paf il y a un truc. Flûte. On regarde ailleurs. Re-paf. Encore ailleurs ? Re-re-paf. « ‘Didiou elle est complètement fuckée cette antenne ! », s’emportent-ils inutilement. Quoi qu’ils fassent, même après avoir ôté toutes les contributions possibles, et même celles de l’antenne elle-même, ils arrivent à la conclusion suivante : il y partout dans l’univers un truc qui émet de la lumière comme s’il était à 2.7 degré Kelvin.
La température mesure l’énergie de quelque chose. En gros, plus les particules s’agitent plus elles sont chaudes. Une particule qui ne bouge pas est à 0 degré Kelvin, ce qui correspond à -273 degré Celsius. On ne peut pas faire plus froid, car on ne peut pas moins bouger que ne pas bouger du tout.
A 2,7 degré Kelvin, cela veut dire qu’il se balade partout dans l’espace une soupe de photons, les grains de lumière, à -270 degré Celsius.  C’est ce qu’on appelle le fond diffus cosmologique. Mais qu’est ce que c’est que ce machin là ?

LES PREMIERES SECONDES DE L’UNIVERS

Rendez-vous compte, c’était il y a seulement 50 ans ! Depuis, la thèse du Big Bang s’est sérieusement étoffé. Il est impossible de remonter exactement au moment du Big Bang, car nous n’avons pas de théorie qui puisse décrire un Univers aussi petit, en étant aussi lourd et chaud qu’il aurait dû être en contenant toute la matière et l’énergie de l’univers actuel.
Alors on doit commencer notre histoire à partir de quelques instants après. On appelle cela le mur de Planck. Et des centaines de physiciens cherchent à élaborer de nouvelles théories pour le franchir… Avec nos théories actuelles, voilà à peu près ce qu’on imagine : l’Univers s’étend, et une soupe de particule se crée, des protons et des neutrons, des photons, des trucs assez basiques. Cela forme une soupe, une vraie purée de pois.
C’est tellement dense que la lumière n’arrive pas trop à se balader tranquillement. Alors on n’y voit rien. Et puis l’Univers continue à s’étendre. A partir de 380.000 ans après le Big Bang, la lumière respire enfin. Que la lumière soit ! L’univers est maintenant suffisamment grand pour qu’elle puisse se balader sans rentrer en permanence dans les autres particules. Alors elles se baladent, telle l’équipée sauvage, dans tous les sens, libres. Or, de ces photons originels, ils en restent un paquet qui ont continué de se promener sans jamais être emmerdés : c’est le fameux fond diffus cosmologique ! On l’appelle également rayonnement fossile : ce qu’ont vu Penzas et Wilson, se sont les premiers photons libres de l’univers !

LES ONDES GRAVITATIONNELLES

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Nous pouvons maintenant comprendre toute la portée de la découverte des ondes gravitationnelles. Le radiotélescope BICEP-2, placé au Pôle Sud, a observé le fond diffus cosmologique dans une portion du ciel. Et, en regardant bien, en plissant les yeux, en se les frottant un peu et en les écarquillant, il a vu une grosse bête : la trace de fluctuation.
On ne comprend pas bien la taille actuelle de l’Univers, la répartition des galaxies et toute ces choses si on ne fait pas une hypothèse importante : durant la première seconde de l’univers, il y aurait eu une formidable expansion, du genre explosive. L’univers aurait gonflé de manière inimaginable en un éclair, avant de reprendre un rythme pépère.  D’après Einstein, et la façon dont il décrit le tissu de l’espace, cela aurait dû faire des sortes de vagues. Comme si vous jetiez une grosse pierre dans l’eau qui ferait plein de vagues et d’éclaboussures.
Cette expansion soudaine de l’univers aurait dû faire vibrer le tissu de l’espace. Eh bien BICEP-2 l’a vu. Dans ces tout premiers photons de l’univers. Ils ont gardé la trace de leur secousse originelle pendant 380 000 ans avant d’être lâchés dans l’univers en conservant en eux la mémoire de cette première rouste. Du genre, dès qu’on les a relâchés, ils sont partis en bande dare-dare en discutant :
– Dis donc, ça fait 380.000 ans que je voulais te dire un truc. Toi aussi tu as ressenti ce violent coup, genre pendant notre première seconde ?
– Mais graaaave, je pensais que je faisais un cauchemar ! C’était affreux, et je pouvais en parler à personne parce que j’étais dans le noir et que je ne vous trouvais pas !
– Viens! La route est à nous, on va oublier ça dans le vide intergalactique, je connais un trou noir sympa.
Comme lors de toute découverte scientifique, il s’agit de ne pas crier victoire trop vite. On attend des confirmations du satellite Planck, spécialement dédié à l’observation du fond diffus cosmologique, et qui doit nous faire un rapport à l’automne prochain.
On se rappellera que le boson de Higgs a nécessité de nombreuses observations avant d’être officiellement découvert. Et on n’oubliera pas non plus qu’on a eu beaucoup de mal a expliquer pourquoi des neutrinos semblaient aller plus vite que la lumière, avant qu’on comprenne qu’il s’agissait d’une erreur d’observation.
Si cela est confirmé, en revanche, il s’agit d’une petite révolution : comme vous l’aurez compris, ce sont des domaines très récents de la science, car il sont extrêmement difficiles à observer. Il est très facile d’émettre une théorie sur ce qu’il se passe dans un trou noir ou avant le big bang, mais comment le vérifier ?
Deux choses sont confirmées ici. Les ondes gravitationnelles d’Einstein existent bel et bien ! On n’en voit pas tous les quatre matins, et certains auraient pu douter. Mais non, le maître avait raison. Et son modèle se renforce encore plus. De même l’hypothèse d’hyperinflation primordiale est confirmé.
Comme je le disais, nos modèles actuels sont très incomplets. Il existe des centaines de scientifiques qui essaient de révolutionner les choses, en proposant des univers multiples, des dimensions supplémentaires, des théories des cordes, des boucles, de matière exotiques ou autres … Et dans beaucoup de ces modèles on essayait d’éviter l’hypothèse d’hyperinflation, parce qu’on trouvait ça moche et qu’on n’en avait aucune preuve.
Avec ces résultats, ce sont des pans entiers de la recherche mondiale qui vont être modifiés. Des centaines de chercheurs, qui élaboraient au hasard des modèles en espérant trouver le plus cohérent, le plus beau, ont quelque chose de nouveau à quoi se raccrocher : quoi que vos cerveaux brillants pondent, il faudra que cela intègre l’épisode d’hyperinflation et l’existence des ondes gravitationnelles prédit par Einstein.

C’est une révolution car si cela est confirmé, de nombreuses spéculations vont s’effondrer, et la science va continuer d’avancer. Le champ des possibles va se réduire. Dans un domaine aussi complexe, ou les nouvelles données sont si rares, c’est une formidable nouvelle : l’esprit humain continue de sonder l’insondable, et de lever le voile sur ses origines.