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Attraper les vagues d'Einstein
Les astronomes observent le ciel essentiellement de la même manière depuis près de 400 ans. Depuis que Galilée a tourné ses télescopes sur la lune en 1609, ils ont utilisé des moyens de plus en plus sophistiqués pour détecter la lumière émise par des objets distants, collectant non seulement la lumière visible, mais aussi les ondes radio, les rayons X et d'autres formes de rayonnement électromagnétique. Mais certaines des choses les plus excitantes dans l'espace n'envoient pas de lumière vers nous.
Les étudiants diplômés Alma Steingart et Brett Shapiro, le scientifique LIGO Rich Mittleman et le professeur de physique Nergis Mavalvala dans le laboratoire MIT LIGO.
La capacité d'observer l'univers en utilisant autre chose que la lumière pourrait inaugurer une nouvelle ère de l'astronomie – une ère qui, selon les physiciens du MIT, sera bientôt à nos portes. Leurs espoirs reposent sur la détection des ondes gravitationnelles, une sorte de rayonnement fondamental prédit par Einstein en 1916 mais pas encore directement observé. L'analyse des ondes gravitationnelles, pensent-ils, fournira un moyen sans précédent d'étudier l'activité des étoiles à neutrons en spirale, des trous noirs et des noyaux d'étoiles qui s'effondrent.
Non seulement les ondes gravitationnelles sont prédites par la théorie de la relativité d'Einstein, mais les prédictions sont étayées par des preuves empiriques indirectes, telles que les changements dans les orbites des étoiles à neutrons binaires que les scientifiques observent depuis des décennies. Avant que les astronomes puissent analyser les ondes gravitationnelles provenant d'objets distants, les physiciens expérimentaux doivent cependant détecter les ondes directement.
Une équipe de chercheurs du MIT et du Caltech ne résiste pas au défi. Ils exploitent conjointement le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), financé par la National Science Foundation sur des sites de l'État de Washington et de la Louisiane. Construit dans les années 1990, LIGO est basé sur des conceptions développées dans les années 1970 par Rainer Weiss '55, PhD '62, qui est maintenant professeur émérite de physique au MIT. En détectant les changements de distance entre des miroirs finement calibrés, les instruments de LIGO mesurent de minuscules distorsions dans le tissu de l'espace-temps. Avec la première génération de détecteurs, qui a coûté 230 millions de dollars, la probabilité de détecter une onde gravitationnelle était faible. Mais les physiciens de LIGO pensent qu'ils ont maintenant la technologie pour passer le cap. Avec des améliorations en cours, ils espèrent décupler la sensibilité – assez, pensent-ils, pour détecter les ondes gravitationnelles quelques fois par mois d'ici 2014.
Ces physiciens adorent s'attaquer à l'un des problèmes d'ingénierie de précision les plus difficiles au monde : mesurer des distances plus petites que les plus petits noyaux atomiques. C'est vraiment dur. Et cela a un énorme attrait, déclare Nergis Mavalvala, PhD '97, professeur agrégé de physique qui conçoit des instruments améliorés pour LIGO. Mais encore plus excitant que le défi est le gain potentiel. La physique des ondes gravitationnelles va changer la façon dont nous voyons l'univers, déclare le professeur agrégé de physique Erik Katsavounidis, qui analyse les données LIGO. Il y a peu de choses dans cette classe.
De Newton à Einstein
Newton a décrit la gravité comme une force d'attraction entre les masses. Mais même Newton n'était pas satisfait de son incapacité à expliquer ce que cause la gravité. Cela a été laissé à Einstein, qui a expliqué comment la gravité apparaît en décrivant l'espace lui-même d'une nouvelle manière.
Avant Einstein, l'espace était considéré comme absolu, existant en dehors de l'influence des masses qui s'y mouvaient. Einstein a conçu l'espace comme étant malléable et a proposé que le temps et l'espace fassent partie d'un système à quatre dimensions. Des masses comme le soleil déforment le tissu de l'espace-temps, provoquant ce que les physiciens appellent une courbure de l'espace-temps. Cette courbure affecte le mouvement des autres masses : en d'autres termes, c'est ce que nous ressentons comme la gravité.
À mesure que les masses accélèrent, a proposé Einstein, elles provoquent des ondulations dans l'espace-temps comme les vagues qui se déplacent dans l'eau dans le sillage d'un bateau. Ces sillages spatio-temporels sont ce qu'il a appelé les ondes gravitationnelles. Comme les ondes lumineuses et sonores, elles sont décrites en termes de fréquence et de longueur d'onde. Dans les équations de Newton, la force de gravité s'exerce instantanément, une approximation qui fonctionne à merveille pour la plupart de ce que nous pouvons observer. Mais les ondes gravitationnelles se propagent dans l'espace-temps à la vitesse de la lumière. Ainsi, tout changement dans l'attraction gravitationnelle d'un objet distant met du temps à atteindre la Terre, tout comme sa lumière. Tout cela prend du temps à comprendre, admet Scott Hughes, professeur adjoint de physique.
Au fur et à mesure que les ondes gravitationnelles se déplacent, elles s'étendent et serrent l'espace-temps, explique Mavalvala. Si l'un d'eux vous traversait maintenant, vous pourriez devenir un peu plus grand, puis un peu plus petit ; un peu plus large, puis un peu plus fin. De même, si une onde gravitationnelle traverse deux objets, la distance entre eux varie. LIGO est conçu pour mesurer cet effet.
Il se trouve que les choses que LIGO sera bonne à détecter, comme les trous noirs entrant en collision avec des étoiles à neutrons, ne peuvent pas être bien vues avec les télescopes. Mais alors que de tels phénomènes sont intéressants, la véritable valeur de leur étude, dit Hughes, est qu'ils nous permettront de tester les lois de la physique dans des zones de l'univers très différentes de la nôtre.
Les lois de Newton fonctionnent bien dans notre système solaire, où la gravité est faible. Mais près des trous noirs, dit Rainer Weiss, l'espace gravite si fortement qu'il n'est plus plat ; il est recroquevillé sur lui-même de manière horrible. Avec LIGO, dit-il, nous allons voir des choses de régions de l'univers où Einstein est toute l'histoire. Newton, tu peux oublier. LIGO, espèrent les physiciens, ouvrira ce que Hughes appelle un laboratoire extrême. La mesure des ondes gravitationnelles nous donnera un aperçu de la nature la plus profonde de l'espace et du temps, explique Edward Bertschinger, chef du département de physique du MIT. Tant que nous ne les étudions pas en profondeur, nous n'avons pas compris la gravité.
Cependant, il a fallu longtemps à l'establishment de la physique pour croire que les technologies conçues pour mesurer les ondes gravitationnelles valaient la peine d'investir. Weiss, qui a passé toute sa carrière au MIT, a joué un rôle important dans le renversement de la tendance.
Les origines de LIGO
Même Einstein a reconnu que les ondes gravitationnelles seraient difficiles, voire impossibles, à mesurer. Même s'il croyait qu'elles existaient réellement, dans les années 1930, les physiciens ont commencé à considérer les ondes gravitationnelles comme des curiosités mathématiques. Et sans aucun moyen de tester ses idées à leur sujet, Einstein lui-même s'est retiré de ses affirmations antérieures.
Mais en 1960, un homme que Weiss appelle courageux et fou imaginatif a décidé d'essayer de mesurer les ondes gravitationnelles. Joseph Weber, professeur à l'Université du Maryland, a construit un détecteur qui fonctionnait comme une barre de xylophone en métal ; mais au lieu de vibrer lorsqu'il est frappé par un maillet, il vibrerait lorsqu'il est frappé par des ondes gravitationnelles. Weiss dit que Weber a vu toutes sortes de choses merveilleuses et a affirmé qu'il avait détecté ce qu'Einstein avait prédit.
Le problème était que personne ne pouvait dupliquer ses résultats, même si Weber, décédé en 2000, s'en tenait à eux. Weiss dit qu'un physicien plus prudent aurait été plus sceptique quant à ses propres conclusions ; il spécule que les machines de Weber peuvent avoir détecté des choses telles que des éclairs ou des lignes téléphoniques problématiques, mais Weber n'a pas enquêté sur d'autres explications possibles pour ses données. Sans confirmation indépendante des ondes de Weber, le champ est entré dans un état terrible, dit Weiss.
Weiss, non moins imaginatif que Weber, s'intéressait également à la gravitation d'un point de vue expérimental. Il avait quitté le MIT dans les années 1950, mais le légendaire professeur de physique Jerrold Zacharias lui a offert une autre chance, qui l'a engagé pour travailler dans son laboratoire. Après avoir obtenu son doctorat au MIT, Weiss a passé du temps à l'Université de Princeton dans le laboratoire de Robert Dicke, un grand expert en gravitation.
Peu de temps après son retour au MIT en tant que professeur, Weiss a été chargé d'enseigner un cours de deuxième cycle sur la relativité. C'était au printemps 1966, et le détecteur de Weber était opérationnel. Je ne pouvais pas comprendre ce que faisait Weber, se souvient Weiss, alors il a décidé d'expliquer les ondes gravitationnelles à ses étudiants en concevant l'explication la plus simple d'esprit de la façon dont vous pourriez en détecter une que je puisse imaginer. Son idée était d'utiliser un interféromètre, une configuration en forme de L de miroirs également espacés qui utilise la lumière laser pour mesurer avec précision la distance. Lorsque les ondes gravitationnelles traversent des objets, elles étirent et compriment l'espace-temps de telle manière que les distances entre ces objets changent. Plus la distance initiale entre deux objets est grande, plus le changement est important. Plus le changement est important, plus il est facile à mesurer.
Au cours des années suivantes, Weiss a développé des prototypes pour ce qui allait devenir LIGO. Les chercheurs de Caltech, ainsi que les bailleurs de fonds de la National Science Foundation, ont soutenu ses plans avant l'administration du MIT ; l'Institut hésitait à consacrer de l'argent à ce qui semblait être une proposition risquée. Mais une fois la collaboration de Weiss avec Kip Thorne et Ronald Drever de Caltech en place et le financement obtenu, le MIT s'est engagé.
Le LIGO d'aujourd'hui est un ensemble d'énormes interféromètres, deux d'entre eux avec des bras de quatre kilomètres de long et un troisième avec des bras de deux kilomètres. Plus comme une oreille que comme un œil, LIGO captera toutes les ondes qu'il peut entendre, quelle que soit leur direction. Mais Weiss espère que la technologie servira de nouveau type de télescope.
Au coin de chaque L se trouve un miroir qui divise un faisceau de lumière laser en deux et envoie un faisceau le long de chaque bras, à travers un tube en acier inoxydable scellé sous vide, vers un miroir à l'extrémité. Les miroirs réfléchissent les faisceaux vers le coin, où ils se recombinent pour créer un motif d'interférence de points lumineux et sombres. Ce schéma reste le même tant que rien ne bouge. Mais si une onde gravitationnelle traverse l'interféromètre, elle serre et étire subtilement l'espace, bousculant les miroirs pour que le motif change.
Cela semble assez simple. Mais éliminer le bruit du système est incroyablement complexe. Tout le reste sur la planète peut déplacer les miroirs plus que les ondes gravitationnelles, dit Mavalvala, avec très peu d'exagération. Elle coche une courte liste de phénomènes pouvant perturber LIGO : mouvements des plaques tectoniques, vagues océaniques, trafic routier, métro, voire simplement l'activité des personnes qui se déplacent. Même dans la fabrication de microprocesseurs dotés de très petites fonctionnalités, les choses n'ont pas besoin d'être maintenues aussi immobiles que dans les détecteurs de LIGO. Seul un visionnaire pouvait examiner les exigences techniques de LIGO sans se laisser décourager, dit Bertschinger.
Les scientifiques de LIGO analysent les données du premier essai à grande échelle des détecteurs, de novembre 2005 à octobre 2007. Le volume considérable de données (les détecteurs ont généré environ un gigaoctet par jour) représente un énorme défi informatique. Encore plus difficile est de décider comment déterminer quand une onde gravitationnelle a été détectée au-delà de tout doute raisonnable. Compte tenu de l'héritage de Weber, dit Erik Katsavounidis, nous voulons en être sûrs.
Les chercheurs pensent que la technologie actuelle de LIGO devrait être capable de détecter des événements cosmiques violents tels que les supernovas, tant qu'ils ne sont pas trop loin. Pour notre galaxie, nous avons une bonne sensibilité, dit Katsavounidis. Les supernovas sont rares, cependant ; on pense qu'ils se produisent dans la plage de LIGO environ une fois tous les 30 ans. Jusqu'à ce que LIGO puisse voir plus loin, dit-il, les meilleures sources potentielles d'ondes gravitationnelles détectables pourraient être des objets que les astrophysiciens ne connaissent même pas encore.
La prochaine génération
En utilisant le plus grand système à ultravide sur Terre, LIGO peut détecter des déplacements de miroir aussi petits que 10 à 18 mètres, soit un millième de la taille du noyau du plus petit atome. Cette sensibilité doublera en un an environ, grâce aux améliorations que Mavalvala compare à l'installation d'un moteur turbo dans une voiture. Et l'équipe LIGO envisage de remplacer complètement les détecteurs initiaux. Construit pour un projet appelé Advanced LIGO, le nouvel ensemble de détecteurs sera 10 fois plus sensible, multipliant par mille le volume de l'espace observable.
Dans le laboratoire brillamment éclairé de l'équipe LIGO aux proportions semblables à un hangar du côté ouest du campus du MIT, Mavalvala passe sa tête en forme de casquette de baseball sous l'un des deux tubes en acier inoxydable de 15 mètres. Les tubes se connectent en forme de L pour former une réplique à plus petite échelle des interféromètres de Louisiane et de Washington. À proximité, un appareil qui semble avoir été construit à partir d'un ensemble de montage géant se trouve sur une plate-forme en acier surélevée recouverte d'une bâche en plastique. Mavalvala explique comment Advanced LIGO s'assurera que les plates-formes auxquelles les miroirs sont suspendus restent très, très immobiles.
Lorsque l'appareil fonctionne, les accéléromètres sur les plates-formes détectent le mouvement et les moteurs le corrigent en déplaçant la plate-forme dans la direction opposée. Chaque miroir sera suspendu à sa plate-forme sur un fil tenant des poids en métal et en verre. Le pendule résultant a une fréquence naturelle inférieure à celle des ondes gravitationnelles. Lorsque la plate-forme est secouée rapidement par le bruit sismique, les pendules amortissent le mouvement des miroirs, garantissant que les minuscules mouvements dus aux ondes gravitationnelles ne seront pas masqués.
Ces améliorations amélioreront la sensibilité de LIGO aux ondes gravitationnelles à basse fréquence. Mais lorsqu'ils mesurent des déplacements beaucoup plus petits qu'un atome, les chercheurs doivent également faire face à différentes sources de bruit qui limitent la sensibilité dans d'autres plages. Dans la plage intermédiaire, LIGO est limité par le mouvement thermique : les atomes à des températures supérieures au zéro absolu se bousculent. Ainsi, les atomes métalliques dans les fils qui suspendent les miroirs de LIGO introduisent du bruit dans le système. Advanced LIGO utilisera des fibres de verre nu spécialement conçues, un matériau avec moins de pertes : les atomes se déplacent moins et moins de leur mouvement est transféré au miroir.
À des fréquences plus élevées, les propriétés quantiques de la lumière sont le problème. Lorsque vous effectuez une mesure avec la lumière, dit Mavalvala, vous devez gérer les propriétés de bruit de la lumière elle-même. Une puissance laser plus élevée signifie un meilleur rapport signal/bruit : le laser d'Advanced LIGO aura 20 fois la puissance de l'actuel.
Avec ces améliorations, nous devrions voir quelque chose une fois par semaine, déclare David Shoemaker, SM '80, le chercheur principal du MIT qui dirige Advanced LIGO. Si nous ne voyons rien, il y a quelque chose qui ne va pas avec la relativité générale.
Lorsqu'une onde gravitationnelle est détectée pour la première fois, tout le monde va organiser une fête bruyante, explique Scott Hughes. Ensuite, une fois la gueule de bois terminée, nous allons dire : « D'accord, maintenant, que faisons-nous ? »
En créant des modèles informatiques d'objets comme les trous noirs, Hughes essaie de comprendre comment utiliser les ondes gravitationnelles pour faire de l'astronomie. Comme aucune lumière ne s'échappe des trous noirs, les physiciens ne les ont vus qu'indirectement, par exemple en détectant les rayons X que les étoiles émettent lorsqu'elles sont attirées à l'intérieur d'un d'entre eux. Mais lorsque les trous noirs mangent quelque chose, dit Weiss, ils laissent échapper un rot très satisfait – une onde gravitationnelle. Étant donné la façon dont la relativité générale décrit les choses, étant donné les détecteurs tels que nous les avons conçus, dit Hughes, avec quelle précision puis-je faire des choses comme mesurer la masse et le spin d'un trou noir ?
Les physiciens qui posent de telles questions s'aventurent dans l'inconnu et ne peuvent prédire tout ce qu'ils pourraient apprendre. Mais, dit Bertschinger, je veux que le MIT fasse partie de cette ère – qu'il participe à la fête de la science à venir.