En physique, les ondes gravitationnelles sont des oscillations de la courbure de l'espace-temps qui se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière. Elles sont produites lorsque des masses sont accélérées (leur énergie est proportionnelle à la masse et à l'accélération).
Les sources d'ondes gravitationnelles sont principalement des systèmes astrophysiques impliquant des objets massifs et très denses comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs pouvant supporter de telles accélérations.
Cadre théorique
Dans la théorie de la relativité générale, la gravité provient de la courbure de l'espace-temps. Cette courbure est causée par la présence d'objets possédant une masse. Plus la masse de l'objet est grande, plus la courbure produite est grande et ainsi plus la gravité est intense. La déformation de l'espace-temps suit le déplacement de la masse (masse et déformation sont liées). L'accélération de ces masses produit une déformation de l'espace-temps qui se propage sous la forme d'onde gravitationnelle. La théorie de la relativité (A. Einstein) prévoit qu'elle se déplace à la vitesse de la lumière. Par conséquent, la vitesse de propagation de la force gravitationnelle n'est plus infinie comme elle l'était dans la théorie de la gravitation d'I. Newton, mais possède une valeur finie qui est égale à 299 792 458 m / s.
La particule qui serait impliquée dans la force gravitationnelle (elle n'a pas encore été détectée) est appelée "graviton". Elle est aux ondes gravitationnelles ce que le photon représente pour les ondes électromagnétiques (la lumière en est la partie visible).
Réalité physique
Lors de la conférence de Chapel Hill (Caroline du Nord) en 1957, Pirani montre qu'en présence d'une onde gravitationnelle, un ensemble de masses en chute libre est animé d'un véritable mouvement de l'une par rapport à l'autre. Bondi suggère qu'en connectant deux masses aux extrémités d'un piston, on absorbe l'énergie de l'onde en la transformant en chaleur, ce qui démontre que l'onde possède bien une réalité physique. Ce fut le point de départ des premiers développements d'instruments permettant la mise en évidence expérimentale des ondes gravitationnelles.
L'amplitude des ondes gravitationnelles dépend de la constante : 2 G/c^4 qui vaut approximativement 1,65 x 10^(-44) m^(-1) . kg^(-1) . s^2. Sa faible valeur traduit la rigidité de l'espace-temps vis-à-vis de la perturbation induite par les masses. La production d'ondes gravitationnelles à partir des quantités de matière disponibles en laboratoire est donc fort peu probable.
Mais l'astrophysique permet l'observation de systèmes massifs et très denses comme les trous noirs et les étoiles à neutrons, ainsi que des ondes gravitationnelles qu'ils produisent (cliquez sur les animations svp).
Système binaire en coalescence (fusion) (N. Douillet - Artemis)
Onde gravitationnelle produite par ce système (N. Douillet - Artemis)
D'après la théorie, un système binaire perd son énergie progressivement en rayonnant par onde gravitationnelle.
Instrument de mesure : l'interféromètre
Les interféromètres captent la distorsion de l'espace-temps qu'exerce une onde gravitationnelle en mesurant avec une grande précision la différence de longueur du chemin optique suivi par deux faisceaux laser se propageant dans deux directions orthogonales. Observer une variation de la différence de longueur revient à observer une variation de la différence de phase entre les deux faisceaux, et donc une variation de leur figure d'interférence. C'est ce dispositif qui a permis en septembre 2015 de détecter les ondes gravitationnelles.
Le 14 septembre 2015, les deux détecteurs LIGO ont observé un signal non ambigu provenant de la collision puis de la fusion de deux trous noirs, de respectivement 29 et 36 masses solaires, situés à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. Lors de la collision, l'équivalent de trois masses solaires est alors converti en ondes gravitationnelles.
Détection du 14 septembre 2015 (à Handford, à gauche, et à Livingston, à droite) comparé au tracé théorique (à mi-page) (Abbott et al.)
Un moyen de s'affranchir du bruit sismique (terrestre) est de réaliser l'expérience dans l'espace. C'est l'objectif de la mission spatiale eLISA constituée de trois satellites en formation qui réalise dans l'espace un interféromètre de près d'un million de kilomètres. Le 28 novembre 2013, l'ESA a annoncé que la recherche des ondes gravitationnelles serait la thématique principale de la mission L337 avec un lancement prévu en 2034.
LISA
