Les scientifiques ont deux façons de repérer les ondes gravitationnelles. Voici quelques autres idées.

Jusqu’à récemment, les ondes gravitationnelles auraient pu être le fruit de l’imagination d’Einstein. Avant d’être détectées, ces ondulations dans l’espace-temps n’existaient que dans la théorie de la relativité générale des physiciens, à la connaissance des scientifiques.

Désormais, les chercheurs disposent non pas d’une mais de deux façons de détecter les ondes. Et ils en recherchent davantage. L'étude des ondes gravitationnelles est en plein essor, affirme l'astrophysicien Karan Jani de l'université Vanderbilt de Nashville. «C'est tout simplement remarquable. Aucun domaine auquel je puisse penser en physique fondamentale n’a connu des progrès aussi rapides.

Tout comme la lumière se présente sous la forme d’un spectre ou d’une variété de longueurs d’onde, les ondes gravitationnelles aussi. Différentes longueurs d'onde indiquent différents types d'origines cosmiques et nécessitent différents types de détecteurs.

Les ondes gravitationnelles d'une longueur d'onde de quelques milliers de kilomètres, comme celles détectées par LIGO aux États-Unis et ses partenaires Virgo en Italie et KAGRA au Japon, proviennent pour la plupart de la fusion de paires de trous noirs d'une masse d'environ 10 fois la masse du soleil, ou de collisions de pépites cosmiques denses appelées étoiles à neutrons (SN : 11/02/16). Ces détecteurs pourraient également détecter les ondes de certains types de supernovas – étoiles explosives – et d’étoiles à neutrons en rotation rapide appelées pulsars (SN : 5/6/19).

En revanche, d’immenses ondulations qui s’étendent sur des années-lumière seraient créées par des paires en orbite de trous noirs énormes dont la masse est des milliards de fois supérieure à celle du soleil. En juin, des scientifiques ont rapporté la première preuve solide de ce type d'ondes en transformant la galaxie entière en détecteur, observant comment les ondes modifiaient le timing des clignotements réguliers des pulsars dispersés dans toute la Voie Lactée (SN : 28/06/23).

Avec l’équivalent de petites ondulations et de tsunamis majeurs en main, les physiciens espèrent désormais plonger dans un vaste océan cosmique d’ondes gravitationnelles de toutes sortes de tailles. Ces ondulations pourraient révéler de nouveaux détails sur la vie secrète d’objets exotiques tels que des trous noirs et des facettes inconnues du cosmos.

"Il y a encore beaucoup de lacunes dans notre couverture du spectre des ondes gravitationnelles", déclare le physicien Jason Hogan de l'Université de Stanford. Mais il est logique de couvrir toutes les bases, dit-il. "Qui sait ce que nous pourrions trouver d'autre?"

Cette quête visant à capturer l’ensemble des ondes gravitationnelles de l’univers pourrait emmener les observatoires dans l’espace lointain ou sur la Lune, dans le domaine atomique et ailleurs.

Voici un échantillon de certaines des frontières que les scientifiques étudient à la recherche de nouveaux types d’ondes.

L’antenne spatiale de l’interféromètre laser, ou LISA, semble invraisemblable au premier abord. Un trio de vaisseaux spatiaux, disposés en triangle de 2,5 millions de kilomètres de côtés, se transmettraient des lasers tout en faisant la roue sur une orbite autour du soleil. Mais la mission de l’Agence spatiale européenne, prévue pour le milieu des années 2030, n’est pas un simple fantasme (SN : 20/06/17). C’est le meilleur espoir de nombreux scientifiques pour pénétrer dans de nouveaux domaines d’ondes gravitationnelles.

"LISA est une expérience époustouflante", déclare le physicien théoricien Diego Blas Temiño de l'Université autonome de Barcelone et de l'Institut de physique d'Altes Energies.

Au passage d’une onde gravitationnelle, LISA détecterait l’étirement et la compression des côtés du triangle, en fonction de la manière dont les faisceaux laser interfèrent les uns avec les autres aux coins du triangle. Une expérience de validation de principe avec un seul vaisseau spatial, LISA Pathfinder, a volé en 2015 et a démontré la faisabilité de la technique (SN : 6/7/16).

Généralement, pour capter des longueurs d’onde plus longues d’ondes gravitationnelles, vous avez besoin d’un détecteur plus gros. LISA permettrait aux scientifiques de voir des longueurs d'onde de plusieurs millions de kilomètres. Cela signifie que LISA pourrait détecter des trous noirs en orbite qui seraient énormes, mais modérément – des millions de fois la masse du soleil au lieu de milliards.

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Alors que le programme Artemis de la NASA vise un retour sur la Lune, les scientifiques se tournent vers le voisin de la Terre pour s’inspirer (SN : 16/11/22). Une expérience proposée appelée Antenne lunaire à interféromètre laser, ou LILA, permettrait d'installer un détecteur d'ondes gravitationnelles sur la Lune.

Sans les bousculades de l’activité humaine et autres perturbations terrestres, les ondes gravitationnelles devraient être plus faciles à détecter sur la Lune. «C'est presque comme une tranquillité spirituelle», dit Jani. "Si vous voulez écouter les sons de l'univers, il n'y a pas de meilleur endroit dans le système solaire que notre lune."

Comme LISA, LILA aurait trois stations émettant des lasers dans un triangle, bien que les côtés de celui-ci fassent environ 10 kilomètres de long. Il pourrait capter des longueurs d’onde de plusieurs dizaines ou centaines de milliers de kilomètres. Cela comblerait l’écart entre les longueurs d’onde mesurées par le LISA basé dans l’espace et le LIGO basé sur Terre.

Parce que les objets en orbite comme les trous noirs accélèrent à mesure qu’ils se rapprochent de la fusion, ils émettent au fil du temps des ondes gravitationnelles avec des longueurs d’onde de plus en plus courtes. Cela signifie que LILA pourrait observer les trous noirs se rapprocher les uns des autres au cours des semaines précédant leur fusion, avertissant ainsi les scientifiques qu'une collision est sur le point de se produire. Ensuite, une fois que les longueurs d’onde seraient suffisamment courtes, des observatoires terrestres comme LIGO capteraient le signal, captant le moment de l’impact.

Une autre option basée sur la Lune utiliserait la télémétrie laser lunaire – une technique par laquelle les scientifiques mesurent la distance entre la Terre et la Lune avec des lasers, grâce à des réflecteurs placés sur la surface de la Lune lors des précédents alunissages.

La méthode pourrait détecter des ondes bousculant la Terre et la Lune, avec des longueurs d'onde comprises entre celles observées par les méthodes de synchronisation des pulsars et LISA, ont rapporté Blas Temiño et un collègue dans Physical Review D en 2022. Mais cette technique nécessiterait des réflecteurs améliorés sur la lune – un autre raison d'y retourner.

LISA, LIGO et d’autres observatoires laser mesurent l’étirement et la compression des ondes gravitationnelles en surveillant la façon dont les faisceaux laser interfèrent après avoir traversé les longs bras de leurs détecteurs. Mais une technique proposée suit une voie différente.

Plutôt que de rechercher de légers changements dans la longueur des bras du détecteur au fur et à mesure du passage des ondes gravitationnelles, cette nouvelle technique surveille la distance entre deux nuages d'atomes. Les propriétés quantiques des atomes font qu’ils agissent comme des ondes qui peuvent interférer avec elles-mêmes. Si une onde gravitationnelle passe à travers, elle modifie la distance entre les nuages ​​d'atomes. Les scientifiques peuvent déterminer ce changement de distance en se basant sur cette interférence quantique.

La technique pourrait révéler des ondes gravitationnelles dont les longueurs d'onde se situent entre celles détectables par LIGO et LISA, explique Hogan. Il participe à un effort visant à construire un prototype de détecteur, appelé MAGIS-100, au Fermilab à Batavia, dans l'Illinois.

Les interféromètres atomiques n’ont jamais été utilisés pour mesurer les ondes gravitationnelles, bien qu’ils puissent détecter la gravité terrestre et tester les règles de la physique fondamentale (SN : 28/02/22 ; SN : 28/10/20). L'idée est « totalement futuriste », dit Blas Temiño.

Un autre effort vise à identifier les ondes gravitationnelles dès les premiers instants de l’univers. De telles vagues auraient été produites lors de l’inflation, quelques instants après le Big Bang, lorsque la taille de l’univers a explosé. Ces ondes auraient des longueurs d’onde plus longues que jamais auparavant – jusqu’à 1 021 kilomètres, soit 1 sextillion de kilomètres.

Mais la chasse a pris un faux départ en 2014, lorsque les scientifiques de l'expérience BICEP2 ont proclamé la détection d'ondes gravitationnelles imprimées en motifs tourbillonnants sur la lumière la plus ancienne de l'univers, le fond diffus cosmologique, ou CMB. La réclamation a ensuite été annulée (SN : 30/01/15).

Un effort appelé CMB-Stage 4 poursuivra la recherche, avec des plans pour plusieurs nouveaux télescopes qui parcourraient la lumière la plus ancienne de l’univers à la recherche de signes d’ondes – cette fois, espérons-le, sans aucun faux pas.

Pour la plupart des types d’ondes gravitationnelles sur lesquels les scientifiques se tournent, ils savent un peu à quoi s’attendre. Des objets connus, comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons, peuvent créer ces ondes.

Mais pour les ondes gravitationnelles ayant les longueurs d’onde les plus courtes, peut-être quelques centimètres seulement, « l’histoire est différente », explique la physicienne théoricienne Valérie Domcke du CERN près de Genève. « Nous n’avons aucune source connue… qui nous donnerait réellement [ces] ondes gravitationnelles d’une amplitude suffisamment grande pour que nous puissions les détecter de manière réaliste. »

Pourtant, les physiciens veulent vérifier si ces petites ondes sont là. Ces ondulations pourraient être produites par des événements violents au début de l’histoire de l’univers, tels que des transitions de phase, au cours desquelles le cosmos passe d’un état à un autre, un peu comme l’eau se condense de la vapeur en liquide. Une autre possibilité concerne les minuscules trous noirs primordiaux, trop petits pour être formés par des moyens standards, qui pourraient être nés dans l’univers primitif. La physique dans ces régimes est si mal comprise que « même chercher [les ondes gravitationnelles] et ne pas les trouver nous dirait quelque chose », dit Domcke.

Ces ondes gravitationnelles sont si mystérieuses que leurs techniques de détection sont également en suspens. Mais les longueurs d’onde sont suffisamment petites pour pouvoir être observées avec des expériences de haute précision à l’échelle du laboratoire, plutôt qu’avec d’énormes détecteurs.

Les scientifiques pourraient même être en mesure de réutiliser les données d’expériences conçues avec d’autres objectifs en tête. Lorsque les ondes gravitationnelles rencontrent des champs électromagnétiques, les ondulations peuvent se comporter de manière similaire à d’hypothétiques particules subatomiques appelées axions (SN : 17/03/22). Ainsi, les expériences recherchant ces particules pourraient également révéler des mini-ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles se présentent dans un spectre de longueurs d'onde plus courtes et plus longues. Chaque plage de longueurs d'onde est générée par différentes sources. Les pulsars et les étoiles explosives, ou supernovas, génèrent des ondulations de courte longueur d'onde. D’autres ondes sont produites par des paires d’étoiles à neutrons ou par des paires de trous noirs de masse stellaire, dont la masse est inférieure à 100 fois celle du soleil. Des longueurs d’onde encore plus longues sont générées par des paires de trous noirs supermassifs.

Différentes longueurs d'onde peuvent être repérées à l'aide de différents types de détecteurs, notamment des détecteurs au sol tels que LIGO, des détecteurs spatiaux tels que LISA et des mesures d'impulsions d'étoiles mortes appelées pulsars. Des longueurs d’onde particulièrement longues peuvent être détectées en étudiant la lumière émise peu après le Big Bang, le fond diffus cosmologique. D'autres types de détecteurs (non illustrés) pourraient combler les lacunes.

Attraper des ondes gravitationnelles, c'est comme pagayer à contre-courant : un parcours difficile, mais qui en vaut la peine pour les vues panoramiques. "Les ondes gravitationnelles sont vraiment très difficiles à détecter", explique Hogan. Il a fallu des décennies de travail avant que LIGO ne repère ses premières houles, et il en va de même pour la technique de chronométrage des pulsars. Mais les astronomes ont immédiatement commencé à en récolter les fruits. "C'est une toute nouvelle vision de l'univers", dit Hogan.

Les ondes gravitationnelles ont déjà permis de confirmer la théorie de la relativité générale d'Einstein, de découvrir une nouvelle classe de trous noirs de masses moyennes et de démasquer les feux d'artifice qui se produisent lorsque deux objets ultradenses appelés étoiles à neutrons entrent en collision (SN : 11/02/16 ; SN : 9 /2/20 ; SN : 16/10/17).

Et il est encore tôt pour la détection des ondes gravitationnelles. Les scientifiques ne peuvent que deviner ce que les futurs détecteurs révéleront. "Il y a bien plus à découvrir", dit Hogan. "C'est forcément intéressant."

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