It is time for something in French today. I adapted this older article of mine, where I discuss things that can be done with gravitational waves on the basis of this scientific article from November 2017.
Donc voilà, aujourd’hui c’est l’heure d’écrire en français et je vais discuter d’ondes gravitationnelles et de choses que l’on peut faire avec, comme décrit par exemple dans cet article de novembre dernier.
[image credits: LIGO]
Pour le titre de ce post, et bien…
De façon amusante, l’archéologie cosmique est juste une façon un petit peu clickbait d’indiquer que l’on va s’intéresser à l’univers primordial.
De la même façon que l’archéologie s’intéresse à l’histoire ancienne de la race humaine, l’archéologie cosmique se concentre sur les premiers instants de l’univers.
Facile non? :)
Parmi tous les outils utilisé en archéologique cosmique, il y en a un tout neuf: les ondes gravitationnelles récemment observées. Et c’est de ça que je vais parler.
LES ONDES GRAVITATIONNELLES EN 3 MOTS
Commençons par discuter de ce qu’est une onde gravitationnelle. Le plus simple est de faire une analogie.
[image credits: Wikipedia]
On peut imaginer le calme plat sur un lac. Ensuite, on arrive avec un gros caillou et on le lance dans l’eau. Bam…
Le choc va créer une série d’ondelettes qui vont se propager depuis le point où le caillou a touché l’eau, comme sur l’image à droite.
Lors de leur propagation, les ondes vont alors modifier localement le niveau de l’eau.
Dans le cadre des ondes gravitationnelles, c’est presque pareil. On part d’un événement catastrophique dans l’univers (notre caillou touchant l’eau). Ce dernier va alors générer une série d’ondes qui vont se propager dans l’espace-temps, sur de grandes distances, et modifier sa structure localement.
Voilà, vous savez tout (ou presque) ! :)
Les ondes gravitationnelles consistent en une prédictions de la théorie de la relativité générale proposée par Einstein au début du 20ème siècle.
La confirmation de cette prédiction eut lieu exactement 100 ans plus tard, c’est-à-dire l’an dernier. Les collaborations LIGO et Virgo ont observé des événements qui ont été interprétés comme la détection des ondes gravitationnelles résultant de la fusion de trous noirs de d’étoiles à neutrons.
LA DETECTION D’ONDES GRAVITATIONNELLES: UN DEFI DE TAILLE
[image credits: Wikipedia]
Afin d’avoir des ondes gravitationnelles observables, il faut partir d’un événement catastrophique dans l’univers. Et il n’y en a pas 500 de possible.
Il faut des objets interagissant de façon très forte sous l’action de la gravité. Sinon, les ondes seront juste non détectables (et notre histoire s’arrêterait ici).
Mais nous sommes sauvés par la présence d’objets supermassifs comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons.
Seulement, même dans ces cas-là, les ondes générées sont minuscules. Lorsque deux énormes trous noirs fusionnent, on parle de variation de la structure de l’espace-temps qui sont de 10-19m.
C’est à-dire 0.0000000000000000001 mètre. Et il faut mesurer cela. Une règle ne suffit donc pas… Tout un défi! Grâce à l’interférométrie, les expériences LIGO et Virgo ont cependant réussi à relever ce défi!
Plusieurs événements ayant eu lieu il y a fort longtemps et à des endroits fort éloignés de chez nous ont ainsi été détectés. Bien sûr, on a du patienter tranquillement après ces événements afin de laisser le temps aux ondes de se propager à la vitesse de la lumière… L’éternelle question du voyage dans l’espace non ? :)
DETECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES - LES BASES
Comme indiqué ci-dessus, la détection des ondes gravitationnelles se base sur l’interférométrie et des appareillages expérimentaux comme LIGO (l’un de ses deux détecteurs est illustré ci-dessous) ou Virgo (son compagnon européen).
[image credits: LIGO]
Chaque détecteur d’ondes gravitationnelles est fait de deux bras (voir l’image) dans lesquels circule un laser, bien à l’abri de toute perturbation extérieure afin d’avoir les mesures les plus propres possibles.
Pour cette même volonté de réduction du bruit extérieur, les détecteurs sont placés dans des zones éloignées de toute activité humaine.
N’oublions pas qu’on essaie de mesurer un déplacement minuscule de 0.0000000000000000001 mètre.
Mais comment être sûr que nous avons affaire à une onde gravitationnelle et pas à l’un de mes voisins en train de tondre sa pelouse? Et bien, il suffit d’avoir plusieurs détecteurs bien éloignés les uns des autres et de vérifier que le même signal est enregistré dans chacun d’entre eux.
Coordination est le mot clé. Comme les ondes gravitationnelles voyagent à la vitesse de la lumière, on devrait effectivement avoir une détection simultanée à l’échelle terrestre.
DETECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES - EN PRATIQUE
Le principe sous-jacent à la détection des ondes gravitationnelles est assez facile à comprendre à partir de l’image ci-dessous. La ligne rouge décrit le chemin parcouru par le laser circulant dans les bras du détecteur. La source du laser est indiquée par les lettres LD.
[image credits: Wikipedia]
Notre laser commence par arriver à un séparateur de faisceau (la grosse ligne diagonale au milieu de la figure). Et du coup, hop nous avons deux faisceaux issus d’un faisceau unique. Chacun de ces faisceaux va alors circuler dans un bras du détecteur.
L’un des faisceaux ira droit dans un miroir cible, tandis que l’autre est dévié vers un miroir de référence. On calibre le tout pour que les deux faisceaux voyagent exactement sur la même distance.
Lorsque chacun des faisceaux arrive à son miroir respectif, il est réfléchi et retourne vers le séparateur. Cette fois, ce dernier permet de fusionner les deux faisceaux en un faisceau unique qui est redirigé vers un détecteur (les lettres PD sur l’image).
Dans le cas où nos deux faisceaux ont voyagé sur la même distance, le détecteur enregistrera un point unique. Comme lorsqu’on pointe le mur ou le sol avec un faisceau laser.
Par contre, dans le cas où une onde gravitationnelle passe par là, les faisceaux voyageront sur des distances légèrement différentes. Les conséquences sont énormes. A la place du point, le détecteur enregistrera un pattern d’interférences, c’est-à-dire une succession plus ou moins étalée de régions sombres et claires.
A partir de cela, on peut dériver les propriétés de la modification initiale avec une précision incroyable, et mesurer des variations de l’espace-temps de 0.0000000000000000001 mètre.
Bon dans la vraie vie, c’est légèrement plus complexe. Mais le principe clé est bien celui ci-dessus.
ET L’ARCHEOLOGIE COSMIQUE DANS TOUT CA?
Les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons ne sont pas les seuls événement donnant lieu à des ondes gravitationnelles.
[image credits: Cambridge
Les ondes gravitationnelles peuvent être utilisées comme outils permettant de sonder la physique de l’univers primordial.
Car selon les différents scénarios possibles, il est prédit que de nombreux événements peuvent avoir donné lieu à une production d’ondes gravitationnelles durant les premiers instants de l’univers.
On pourrait ainsi par exemple en apprendre plus sur l’inflation ou les modèles de cordes cosmiques.
Grâce aux données attendues dans les futures expériences, on espère pouvoir commencer à explorer les différents modèles, contraindre ceux qui seraient plutôt plausibles et exclure ceux qui sembleraient plutôt foireux.
Bref, un futur excitant!
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