Notes sur la fin des étoiles en astronomie: l'onde gravitationnelle, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez10 janvier 2014

Notes sur la fin des étoiles en astronomie: l'onde gravitationnelle, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur la fin des étoiles en astronomie: l'onde gravitationnelle. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: la théorie d'Einstein, Emission d'ondes gravitationnelles, Détection des ondes gravitatio...
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La fin des étoiles en astronomie : Onde

gravitationnelle

L'une des prédictions de la théorie d'Einstein va probablement jouer un rôle clef dans

l'astronomie du siècle prochain. Il s'agit de l'existence d'ondes gravitationnelles. Lorsqu'une

particule chargée est accélérée, elle produit des perturbations des champs électrique et

magnétique qui se propagent à la vitesse de la lumière. Ce sont des ondes électromagnétiques.

De la même façon, lorsqu'un corps massif est accéléré, l'espace-temps autour de lui doit en

permanence se réajuster, ce qui se traduit par de légères perturbations qui se propagent à la

vitesse de la lumière. On les appelle des ondes gravitationnelles.

L'interféromètre franco-italien VIRGO près de Pise est composé de deux bras orthogonaux de trois

kilomètres. Cet instrument utilise le principe de l'interféromètre de Michelson pour mesurer d'infimes

variations relatives de la longueur des bras causées par le passage d'ondes gravitationnelles. Crédit

:CNRS/INFN

Emission d'ondes gravitationnelles

Une preuve - indirecte - de l'existence de ces ondes fut apportée en 1974 par les

astrophysiciens américains Joseph Taylor et Russell Hulse. A cette époque, ils étudiaient

le pulsar PSR1913+16, qui avait la particularité d'être membre d'un système binaire constitué

de deux étoiles à neutrons. En étudiant les émissions radio du pulsar, les deux astronomes

furent en mesure de déterminer la période orbitale du couple. Ils se rendirent alors compte que

celle-ci décroissait légèrement, d'un millième de seconde par an.

C'est ce phénomène qui fut interprété comme la conséquence de l'émission d'ondes

gravitationnelles. En effet, les deux étoiles à neutrons étant très rapides et massives, leurs

mouvements donnent lieu à une très forte émission d'ondes gravitationnelles. Celles-ci

emportent avec elles beaucoup d'énergie. Par conséquent, le système binaire doit perdre un peu

de la sienne. Cela se traduit par une diminution de la distance entre les deux étoiles et par une

baisse de la période orbitale, exactement l'effet observé par Taylor et Hulse. La décroissance de

la période mesurée en 1974 était exactement celle que la relativité générale prévoyait pour une

étoile binaire émettant des ondes gravitationnelles. Ce fut donc une nouvelle vérification de la

théorie, mais surtout une preuve indirecte de l'existence de ces ondes.

L'interaction gravitationnelle, même si elle domine à grande échelle, est extrêmement faible à

une échelle microscopique. En conséquence, les ondes gravitationnelles interagissent très peu

avec la matière. Elles traversent sans problème les concentrations de masse les plus fortes, par

exemple une étoile à neutrons. L'univers est en quelque sorte transparent aux ondes

gravitationnelles.

Cette propriété en fait un outil de choix pour l'astronomie. En effet, de nombreux processus

astrophysiques nous sont totalement inaccessibles. Par exemple, nous ne pouvons observer

que la surface des étoiles car le rayonnement des régions internes ne peut pas s'échapper.

L'étude des ondes gravitationnelles émises par ces processus nous permettrait de les étudier

directement, ce qui constituerait une avancée majeure. Cette possibilité ouvrirait la voie à

l'étude de certains des phénomènes les plus intéressants de l'astronomie : effondrement

gravitationnel des étoiles massives, fusion de deux étoiles à neutrons dans un système binaire,

processus en jeu au centre des galaxies ou bien tous les phénomènes associés aux trous noirs.

Détection des ondes gravitationnelles

Mais cet avantage des ondes gravitationnelles devient un inconvénient lorsqu'il s'agit de les

détecter. Lorsqu'une telle onde traverse un objet, le passage se manifeste par des oscillations

de celui-ci. Un cercle est par exemple momentanément transformé en une ellipse. Il devrait

ainsi être facile de détecter le passage. Le problème réside dans le fait que les perturbations

sont extrêmement faibles et très difficiles à observer. Pour se fixer les idées, imaginons qu'une

supernova explose dans notre Galaxie. Il s'agit là d'un cas très favorable, qui devrait conduire à

une forte dose d'ondes gravitationnelles au niveau de la Terre. La variation relative de taille ne

serait cependant que d'un milliardième de milliardième, l'équivalent d'un changement d'une

fraction de micromètre dans la distance du Soleil à la Terre. Une telle précision est clairement

hors de portée à l'heure actuelle.

Mais les astrophysiciens ont une fois de plus relevé le défi. Plusieurs grands instruments, en

particulier VIRGO et LIGO, sont en cours de construction. Ce sont tous des interféromètres

fonctionnant selon le même principe que le système d'Albert Michelson. Le rayonnement

provenant d'un laser est divisé en deux faisceaux. Ceux-ci sont envoyés dans des directions

perpendiculaires, puis réfléchis par des miroirs et finalement recombinés. L'analyse de la

lumière après combinaison permet de dire si la durée de propagation de la lumière dans l'une

des directions a été perturbée. Si tel est le cas, cela signifie que la distance parcourue par l'un

des faisceaux a légèrement varié sous l'effet du passage d'une onde gravitationnelle.

Étant donné la faiblesse des effets à mesurer, ces interféromètres doivent être très sensibles. En

particulier, la distance parcourue par la lumière doit être aussi grande que possible. Pour cette

raison, ces détecteurs sont gigantesques, leurs bras font plusieurs kilomètres de long. Il est

également crucial de réduire toutes les sources de bruits parasites, tout spécialement ceux

d'origine sismique ou thermique. Malgré toutes ces difficultés, l'optimisme est de rigueur et les

prochaines années devraient voir la naissance d'une nouvelle branche de l'astronomie, l'étude

de l'univers au moyen des ondes gravitationnelles.

Finissons par un projet encore plus ambitieux. En effet, un détecteur à la surface de la Terre

sera toujours très limité. Pour améliorer encore la sensibilité, l'espace est la seule solution.

Ainsi, un projet spatial appelé LISA est à l'étude. Il s'agirait d'un ensemble de quatre satellites

travaillant de façon coordonnée. Au lieu de quelques kilomètres, la taille équivalente du

détecteur serait alors de plusieurs millions de kilomètres. Un tel système rendrait possible

l'étude d'une plus grande variété de phénomènes, mais également la détection d'événements

beaucoup plus lointains.

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