Les forces de marée portent la signature mathématique des ondes gravitationnelles

ondes gravitationnelles Getty

En février 2016, une équipe internationale de physiciens a annoncé la première observation directe des ondes gravitationnelles. Les ondes avaient été produites par la gigantesque collision d'une paire de trous noirs, chacun d'environ 30 fois la masse du soleil - un fracas si cataclysmique qu'il a envoyé des ondulations à travers le tissu de l'espace-temps.

La découverte a été un triomphe pour la communauté des physiciens. Ils savaient depuis longtemps que la théorie de la relativité générale d'Einstein suggérait que des ondulations dans l'espace-temps étaient possibles. Ces ondes compriment et étirent l'espace sur des distances inférieures à la largeur d'un proton. Pour les repérer, les physiciens ont construit un réseau de détecteurs extrêmement sensibles qui a coûté plus d'un milliard de dollars. La découverte des premières vagues en 2016 a donc été à la fois un soulagement et un succès non négligeable.

Maintenant, deux physiciens disent que les ondes gravitationnelles se sont toujours cachées à la vue de tous. Rituparno Goswami de l'Université du KwaZulu-Natal et George Ellis de l'Université du Cap, tous deux en Afrique du Sud, utilisent aujourd'hui une magie mathématique pour montrer que les forces de marée sont des ondes gravitationnelles. Ce sont les mêmes forces qui font monter et descendre le niveau de la mer lorsque la lune se déplace autour de la Terre. Les forces de marée sont en fait une forme cachée d'ondes gravitationnelles, disent-ils.

Tout d'abord un peu de contexte. La théorie de la gravité de Newton repose sur l'idée que toutes les masses génèrent une force gravitationnelle attractive expliquant une grande variété de phénomènes : la trajectoire d'une pomme qui tombe, le mouvement des planètes autour du soleil, etc.

La théorie de Newton explique également les marées. Celles-ci sont le résultat de la façon dont les forces gravitationnelles varient avec la distance : le côté de la Terre faisant face à la lune subit une attraction gravitationnelle légèrement plus forte que le côté opposé. Le résultat est une sorte d'étirement qui tire les océans d'avant en arrière au fur et à mesure que la Terre tourne.

Goswami et Ellis commencent par souligner que la théorie de Newton ne tient pas compte d'une loi physique importante : rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière, pas même les forces gravitationnelles. Il faut donc du temps aux forces gravitationnelles de la Lune pour atteindre la Terre. Aucune influence ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière : l'influence des marées ne peut pas être instantanée, disent les physiciens.

Einstein a d'abord formulé cette limite de vitesse cosmique dans sa théorie restreinte de la relativité et l'a ensuite incorporée dans sa théorie générale, qui décrit la gravité comme une sorte de distorsion dans le tissu de l'espace-temps. Cela a immédiatement conduit à l'idée que ce tissu pouvait supporter des ondulations semblables à des vagues.

Goswami et Ellis disent que les forces de marée sont une forme de rayonnement gravitationnel. Mais pour être des ondes, elles doivent varier dans le temps d'une manière spéciale dictée par la théorie générale de la relativité. Les physiciens poursuivent en montrant mathématiquement que les forces de marée ont exactement ces propriétés, bien qu'à une échelle beaucoup plus petite que les ondes générées par les collisions de trous noirs. Le résultat est quelque peu technique, mais néanmoins intéressant.

En substance, Goswami et Ellis disent que les forces de marée sont des ondes gravitationnelles à basse fréquence. Cette théorie fait des prédictions qui sont différentes de la saveur de la gravité de Newton. Par exemple, Goswami et Ellis soulignent qu'il faut 1,3 seconde pour que les forces de marée se déplacent de la lune à la Terre. Et si l'océan était uniformément profond partout sans continents, les marées retarderaient la position de la Lune dans le ciel de 0,66 seconde d'arc, disent-ils. C'est à peu près la largeur d'un centime vu à deux kilomètres de distance.

Un tel effet peut être mesurable, bien que Goswami et Ellis n'étendent pas leur analyse pour suggérer comment. Mais cela signifie que les effets des ondes gravitationnelles sont beaucoup plus faciles à repérer qu'on ne l'imaginait. Une journée au bord de la mer, ça vous tente ?

Réf : arxiv.org/abs/1912.00591 : Les forces de marée sont des ondes gravitationnelles

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