Une quête de 40 ans pour donner raison à Einstein

Le 14 septembre 2015, Rainer Weiss '55, PhD '62, a commencé le premier jour de ses vacances dans le Maine en faisant ce qu'il fait tous les matins après le petit-déjeuner, où qu'il soit : il a vérifié les journaux d'expériences de l'interféromètre laser Gravitational-Wave Observatoire (LIGO). L'annonce de l'annulation des réparations hebdomadaires prévues pour le lendemain a paru étrange à Weiss, professeur émérite de physique. Quelques instants plus tard, une rafale d'e-mails l'a dirigé vers un site Web avec des images qui l'ont laissé abasourdi : LIGO, l'instrument qu'il avait conçu quatre décennies plus tôt, avait enregistré un signal lors de l'un de ses premiers tests après une mise à niveau majeure. Il poussa un cri qui fit courir sa femme et son fils. Puis l'incrédulité a commencé, dit-il. Le signal était trop large et trop parfait. Il a fallu plusieurs jours avant que je commence vraiment à croire qu'il s'agissait d'un événement réel.

Après des mois d'analyse et de revérification des données, une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques du MIT et de Caltech a annoncé en février que le signal provenait de deux trous noirs massifs qui étaient entrés en collision il y a 1,3 milliard d'années. Cette collision avait libéré une explosion de puissance estimée à 100 fois celle de toutes les étoiles de l'univers, produisant une ondulation dans l'espace-temps enregistrée par LIGO. C'était la première détection directe des ondes gravitationnelles prédite par Einstein il y a un siècle.

Où commence l'histoire de LIGO ?
Tout a commencé ici en 1967. Le responsable du programme d'enseignement en physique m'a demandé de donner un cours sur la relativité générale. En 1967, la relativité générale avait été reléguée aux départements de mathématiques. C'était une théorie de la gravité, mais c'était surtout des mathématiques, et dans l'esprit de la plupart des gens, cela n'avait aucun rapport avec la physique. Et c'était principalement parce que les expériences pour le prouver étaient si difficiles à faire - tous ces effets que la théorie d'Einstein avait prédits étaient infiniment petits.

Einstein avait examiné les nombres et les dimensions qui entraient dans ses équations pour les ondes gravitationnelles et avait dit, essentiellement, c'est si petit que cela n'aura jamais d'influence sur quoi que ce soit, et personne ne peut le mesurer. Et quand on pense à l'époque et à la technologie en 1916, il avait probablement raison.

La grande chose qui s'est produite au cours des 100 dernières années, c'est que les gens ont découvert des choses en astronomie qui étaient très différentes de ce qu'ils savaient en 1916 - des sources étroitement compactes [d'ondes gravitationnelles], extrêmement denses, comme une étoile à neutrons et des trous noirs. Et il y avait une technologie pour faire des mesures de précision, parce que vous aviez des lasers, des masers, de l'électronique, des ordinateurs et tout un tas de choses que les gens n'avaient pas en 1916.

Ainsi, la technologie et la connaissance de l'univers ont permis, au moment où nous sommes entrés dans ce domaine, d'envisager d'essayer de rechercher des ondes gravitationnelles.

Dans les années 1960, Joseph Weber de l'Université du Maryland a eu l'idée que la technologie en était peut-être arrivée au point où l'on pouvait rechercher des ondes gravitationnelles, et il a inventé une méthode pour le faire. Il a imaginé une sorte de xylophone fait de barres résonnantes massives. Il s'attendait à ce qu'une onde gravitationnelle vienne tirer sur l'une des barres et la presser, et à mesure que l'onde partait, elle laisserait une impulsion, et la chose sonnerait et vous pourriez l'entendre.

C'était la première idée que vous deviez faire quelque chose d'actif pour aller chercher des ondes gravitationnelles. Et il avait revendiqué une découverte dans les années 1960.

Quand j'ai enseigné mon cours, les étudiants étaient très intéressés à découvrir ce qu'était [l'expérience de Weber]. Et je vais être honnête avec vous, je ne pouvais pas comprendre ce qu'il faisait. C'était le problème. Parce que cela contredisait complètement toutes les intuitions que j'avais maintenant développées sur la relativité générale. Je ne pouvais pas l'expliquer aux élèves.

C'était mon dilemme à l'époque, et c'est à ce moment-là que l'invention a été faite. J'ai dit : Quelle est la chose la plus simple à laquelle je puisse penser pour montrer à ces étudiants que vous pouviez détecter l'influence d'une onde gravitationnelle ?

La chose évidente pour moi était, prenons des masses flottant librement dans l'espace et mesurons le temps qu'il faut à la lumière pour voyager entre elles. La présence d'une onde gravitationnelle modifierait cette époque. En utilisant la différence de temps, on pouvait mesurer l'amplitude de l'onde. Les équations de ce processus sont simples à écrire et la plupart des élèves de la classe pourraient le faire. Oubliez un instant qu'il s'agissait d'une expérience de pensée nécessitant des horloges incroyablement précises. Le principe était bon.

Simulation de la collision de trous noirs qui a produit les ondes de gravité détectées par LIGO le 1er septembre 2015.

Je n'y ai pas beaucoup réfléchi jusqu'à environ un an plus tard, quand j'ai commencé à réaliser quelque chose à propos des expériences de Weber : personne n'obtenait la réponse qu'il obtenait. Il avait fait une réclamation énorme et puissante. Et j'ai commencé à réaliser que c'était peut-être faux, et peut-être même que son idée de la façon dont cela fonctionnait était fausse.

Je me suis donc assis dans une petite pièce du bâtiment 20, le Plywood Palace, rue Vassar, et j'ai travaillé tout l'été sur l'idée dont j'avais parlé avec mes étudiants. Et sachant ce que vous pouviez faire avec les lasers, j'ai compris : pourriez-vous réellement détecter les ondes gravitationnelles de cette façon ? Et je suis arrivé à la conclusion que oui, vous pouviez détecter les ondes gravitationnelles, à une force bien meilleure que ce que recherchait Weber.

Qu'a-t-il fallu pour concrétiser cette idée sous une forme physique ?
Nous étions en train de construire un prototype de 1,5 mètre au RLE [le laboratoire de recherche en électronique] grâce à un financement [militaire], et nous étions assez avancés. Tout à coup, le financement a disparu, en raison de l'amendement Mansfield, qui était une réaction à la guerre du Vietnam. Dans l'esprit des administrateurs locaux du RLE, les recherches en gravitation et en cosmologie n'étaient pas dans l'intérêt des militaires et un soutien était apporté à la physique du solide, jugée plus pertinente. Pour la première fois, j'ai dû écrire des propositions à d'autres agences gouvernementales et privées pour poursuivre nos recherches.

Personne ne travaillait encore sérieusement sur l'interférométrie des ondes gravitationnelles, même si, comme je l'ai appris plus tard, d'autres y avaient également pensé. Un groupe allemand de l'Institut Max Planck de Garching venait de construire un bar Weber. Ils avaient travaillé avec les Italiens et découvert que Weber avait tort. Ils avaient probablement fait la meilleure expérience qui soit pour montrer cela. C'était au milieu des années 70.

On leur a demandé d'examiner ma proposition à la National Science Foundation, juste au moment où ils réfléchissaient à la prochaine chose sur laquelle travailler. Ils avaient pensé, comme de nombreux autres groupes dans le monde à l'époque, à fabriquer des barres Weber encore meilleures en les refroidissant à un niveau proche du zéro absolu. Au lieu de cela, ils ont décidé d'essayer l'idée de l'interféromètre. Ils m'ont appelé pour demander s'il y avait des étudiants qui avaient été formés sur le prototype de 1,5 mètre afin qu'ils puissent leur proposer un emploi. (Au moment précis où ils ont appelé, il n'y en avait pas; un peu plus tard, David Shoemaker, qui avait travaillé sur le prototype du MIT, a rejoint le groupe Garching.) Ils ont ensuite construit un prototype de trois mètres, l'ont fait fonctionner et ont fait un beau travail. .

Ensuite, ils en ont construit un de 30 mètres. Un peu plus tard, un groupe à Glasgow, en Écosse, dirigé par Ronald Drever, qui avait également construit une barre Weber, a commencé à travailler sur des détecteurs interférométriques.

Au moment où j'ai obtenu un financement de la NSF et que j'ai recommencé, le groupe allemand avait vraiment résolu la plupart des problèmes techniques avec l'idée et montré que tous les calculs que j'avais faits étaient exacts, que cela fonctionnait comme prévu. Ils ont également ajouté quelques idées qui l'ont rendu meilleur.

Au détecteur LIGO de Livingston, en Louisiane, il a fallu 40 jours pour extraire plus de deux millions de ballons de football d'air de deux chambres à vide de quatre kilomètres de long, ce qui a entraîné un billionième de la pression atmosphérique au niveau de la mer.

Une étape clé fut en 1975. Parce que je faisais aussi des études sur le rayonnement cosmique soutenu par la NASA, j'ai été chargé par la NASA de diriger un comité sur les utilisations de la recherche spatiale dans le domaine de la cosmologie et de la relativité. Ce qui est ressorti de ce comité, pour moi, c'est que j'ai rencontré [le physicien de Caltech] Kip Thorne, à qui j'avais demandé d'être témoin pour le comité.

J'ai récupéré Kip à l'aéroport par une chaude nuit d'été lorsque Washington, D.C., était rempli de touristes. Il n'avait pas de réservation d'hôtel, nous avons donc partagé une chambre pour la nuit. Nous avons fini par passer toute la nuit à parler de ce qui pourrait être des expériences intéressantes à faire pour Caltech. Kip avait développé l'un des meilleurs groupes théoriques sur la gravitation à Caltech et envisageait d'y amener un groupe expérimental sur la gravitation. Nous avons disposé sur une grande feuille de papier toutes les différentes expériences autour desquelles on pourrait construire un nouveau groupe. Je lui ai parlé de cette chose sur laquelle nous travaillions. Il n'en avait jamais entendu parler et il s'y est beaucoup intéressé. Ce qui en est ressorti, c'est que Kip et moi avons finalement décidé que Caltech et le MIT feraient ce [projet qui est devenu LIGO] ensemble.

Quels ont été les moments clés qui ont fait avancer le projet ?
À la fin des années 1970, le groupe du MIT, qui comprend désormais Peter Saulson et Paul Linsay, a mené une étude avec l'industrie pour déterminer la faisabilité de la construction d'un grand interféromètre à ondes gravitationnelles à l'échelle kilométrique. L'étude a examiné comment fabriquer de grands systèmes de vide et a examiné comment déterminer les coûts de mise à l'échelle des prototypes, les sites possibles où l'on pourrait construire des structures en forme de L de cinq à 10 kilomètres avec un minimum de terrassement et la disponibilité de l'optique. et les sources lumineuses. Nous avons examiné les sources possibles d'ondes gravitationnelles et plusieurs concepts d'interféromètres concurrents qui avaient été prototypés dans différents laboratoires du monde. L'information a été mise dans un rapport, appelé Blue Book, et présenté à la NSF en 1983. Des scientifiques de Caltech et du MIT ont présenté ensemble les idées développées dans le Blue Book, ainsi que les résultats de la recherche sur le prototype.

La proposition que nous avons présentée était de créer un système de détection suffisamment sensible pour détecter réellement les ondes gravitationnelles d'une source astrophysique (pas seulement un nouveau prototype). La proposition était de construire deux détecteurs. Vous ne pourriez pas faire de science avec un; il fallait avoir deux détecteurs distincts, également sensibles et suffisamment longs.

Le groupe MIT LIGO en 2016. Première rangée de gauche à droite : Haocun Yu, Ken Mason, Nergis Mavalvala, Maggie Tse, Rainer Weiss, Peter Fritschel, David Shoemaker, Hang Yu. Rangée arrière de gauche à droite : Lisa Barsotti, Marie Woods, Mike Zucker, Matthew Evans, John Miller, Bobby Lanza, Adam Libson, Myron MacInnis, Fabrice Matichard, Reed Essick, Erik Katsavounidis, Ryan Lynch, Salvatore Vitale.

Ce fut un vrai combat plus tard. Vous vouliez conserver ces idées, et les gens ont ensuite voulu les réduire : pourquoi ne pas simplement en créer une longue ? Pourquoi le construire si longtemps ? Tous ces arguments ont été avancés, mais nous avons tenu bon. Nous devions le faire, sinon nous n'aurions jamais survécu et nous ne serions pas ici aujourd'hui. Nous avons obtenu l'approbation du comité : une recherche risquée avec la possibilité d'un résultat profond, qui mérite d'être considérée comme un nouveau projet par la NSF.

Au milieu des années 1980, la NSF a continué à essayer de comprendre comment démarrer cela. Puis, en 1986, une chose intéressante s'est produite qui a finalement mis fin à l'impasse. Richard Garwin, qui avait travaillé avec Enrico Fermi [lauréat du prix Nobel de physique en 1938] et avec le ministère de l'Énergie, et fait tous les calculs et fait le développement proprement dit de la première bombe à hydrogène, était devenu scientifique en chef d'IBM. Il avait lu les expériences de Weber et avait décidé avec un autre associé d'IBM d'en construire un petit, beaucoup plus intelligent que ce que Weber avait construit - et il n'a rien vu.

La NSF essayait de vendre ce nouveau programme énorme pour les ondes gravitationnelles. Garwin en a vent et il pensait avoir tué ce dragon. Il a écrit une lettre à la NSF disant: Si vous persistez, vous feriez mieux d'avoir une véritable étude.

Nous avons donc mené une étude à l'Académie américaine des arts et des sciences sur Beacon Street à Cambridge. Ce fut une réunion d'une semaine avec un excellent comité de scientifiques intransigeants qui ont passé en revue les recherches que nous avions effectuées avec les prototypes, les études de faisabilité pour créer un grand système, les plans d'implantation du système et les estimations de coûts. La recommandation du comité était incroyablement bonne : le projet en vaut vraiment la peine, ne le divisez pas en un seul détecteur à la fois, faites-le sur toute la longueur, plus de prototypes. Il recommandait également un changement dans la gestion du projet pour avoir un directeur unique plutôt qu'un groupe de pilotage, comme nous avions géré le projet jusqu'alors.

En 1989, nous avons écrit une autre proposition sous la direction de Rochus Vogt [un ancien prévôt de Caltech], qui nous a pris près de six mois à écrire - c'était un chef-d'œuvre. La proposition était de construire deux sites avec des interféromètres de quatre kilomètres de long. Les interféromètres devaient être étagés. Le premier détecteur était basé sur la recherche, maintenant raisonnablement mature, des prototypes avec une sensibilité qui offrait une chance plausible de détection. Le deuxième détecteur était basé sur des concepts plus récents et avancés qui n'avaient pas encore été entièrement testés mais qui offraient la possibilité d'une bonne chance de détection. La proposition est passée par le National Science Board et a été acceptée, et l'argent a commencé à arriver en quantités importantes.

Dès les années 1990, la suite de l'histoire est plus facile. Maintenant, sous la direction de Barry Barish [un professeur de physique de Caltech], les sites étaient construits et développés, des systèmes de vide ont été fabriqués et nous avons commencé à faire fonctionner les premiers détecteurs. En 2010, nous les avions exécutés et amélioré considérablement leur sensibilité, mais nous n'avions rien vu. C'était un rien propre; les détecteurs avaient fonctionné à la conception, et nous n'avons vu aucune anomalie pouvant être interprétée comme des ondes gravitationnelles. Sur la base du fait que nous [avions atteint notre sensibilité de conception souhaitée] et avions effectué la science pour déterminer des limites supérieures intéressantes sur les sources possibles, nous avons reçu un financement pour construire Advanced LIGO.

Nergis Mavalvala, scientifique du LIGO et professeur au MIT, embrasse Rebecca Weiss lors de l'événement du MIT annonçant la découverte des ondes gravitationnelles. Le président du MIT, L. Rafael Reif, venait d'amener les personnes réunies dans la salle Bush à applaudir Weiss, en disant... cela a sans aucun doute été l'œuvre de votre vie aussi.

À quel point cette découverte est-elle importante pour vous ?
En ce qui concerne la réalisation des ambitions de beaucoup d'entre nous qui ont travaillé là-dessus, c'est capital. C'est le signal que nous avons tous voulu voir, parce que nous le savions, nous n'en avions jamais eu de preuve réelle, et c'est la limite des équations d'Einstein jamais observée auparavant - la dynamique de la géométrie de l'espace-temps dans le fort champ [gravitationnel] et limite de vitesse élevée.

Pour moi, c'est une fermeture à quelque chose qui a eu une histoire très compliquée. Les équations de champ et toute l'histoire de la relativité générale ont été compliquées. Ici, tout à coup, nous avons quelque chose à quoi nous pouvons nous raccrocher et dire, Einstein avait raison. Quelle perspicacité et quelle intuition merveilleuses il avait.

Je ressens un immense soulagement et une certaine joie, mais surtout du soulagement. Il y a un singe qui est assis sur mon épaule depuis 40 ans, et il bavarde dans mon oreille et dit, Ehhh, comment savez-vous que cela va vraiment fonctionner ? Vous avez impliqué tout un tas de personnes. Supposons que cela ne fonctionne jamais, n'est-ce pas ? Et soudain, il a sauté. C'est un immense soulagement.

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