Il y a du son dans l’espace, grâce aux ondes gravitationnelles

On a longtemps dit qu’il n’y avait pas de son dans l’espace, et c’est vrai, jusqu’à un certain point. Le son conventionnel nécessite un milieu pour se propager, et il est créé lorsque des particules se compriment et se raréfient, produisant tout ce qui va d’un « bang » fort pour une impulsion unique à un ton cohérent pour des motifs répétitifs. Dans l’espace, où il y a si peu de particules que de tels signaux disparaissent, même les éruptions solaires, les supernovae, les fusions de trous noirs et autres catastrophes cosmiques se taisent avant d’être entendues. Mais il existe un autre type de compression/rafragmentation qui ne nécessite rien d’autre que le tissu de l’espace lui-même pour se propager : les ondes gravitationnelles. Grâce aux premiers résultats de détection positifs de LIGO, nous entendons l’Univers pour la toute première fois.

Les ondes gravitationnelles étaient quelque chose qui devait exister pour que notre théorie de la gravité soit cohérente, selon la relativité générale. Contrairement à la gravité de Newton, où deux masses en orbite l’une autour de l’autre restaient éternellement dans cette configuration, la théorie d’Einstein prévoyait que sur des périodes suffisamment longues, les orbites gravitationnelles se désintégreraient. Pour quelque chose comme la Terre en orbite autour du Soleil, vous ne vivrez jamais l’expérience : il faudrait 10^150 ans pour que la Terre entre en spirale dans le Soleil. Mais pour des systèmes plus extrêmes, comme deux étoiles à neutrons en orbite l’une autour de l’autre, nous pourrions réellement voir les orbites se désintégrer au fil du temps. Afin de conserver l’énergie, la théorie de la gravité d’Einstein a prédit que l’énergie doit être emportée sous la forme d’ondes gravitationnelles.

Ces ondes sont follement faibles, et leurs effets sur les objets de l’espace-temps sont stupéfiants. Mais si vous savez comment les écouter – tout comme les composants d’une radio savent écouter ces ondes lumineuses à longue fréquence – vous pouvez détecter ces signaux et les entendre comme n’importe quel autre son. Avec une amplitude et une fréquence, ils ne sont pas différents de n’importe quelle autre onde. La relativité générale prédit explicitement le son que devraient avoir ces ondes, les signaux générant les plus grandes amplitudes étant les plus faciles à détecter. Les sons de la plus grande amplitude ? C’est le « chirp » d’inspiration et de fusion de deux trous noirs qui s’imbriquent en spirale l’un dans l’autre.

En septembre 2015, quelques jours seulement après que le LIGO avancé a commencé à recueillir des données pour la première fois, un signal important et inhabituel a été repéré. Il a surpris tout le monde, car il aurait transporté tellement d’énergie en seulement un court éclat de 200 millisecondes, qu’il aurait surpassé toutes les étoiles de l’Univers observable réunies. Pourtant, ce signal s’est avéré robuste et l’énergie de cette explosion provenait de deux trous noirs – de 36 et 29 masses solaires – fusionnant en un seul de 62 masses solaires. Ces trois masses solaires manquantes ? Elles ont été converties en énergie pure : des ondes gravitationnelles se propageant dans le tissu spatial. C’est le premier événement que LIGO a détecté.

Il y a tellement de choses à entendre, et nous venons seulement de commencer à écouter pour la première fois. Heureusement, l’astrophysicienne Janna Levin – auteur du livre fantastique Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – est prête à donner la conférence publique à l’Institut Perimeter ce soir, le 3 mai, à 19 heures (heure de l’Est) et à 16 heures (heure du Pacifique), et elle sera diffusée en direct ici et bloguée par moi en temps réel ! Rejoignez-nous alors pour en savoir encore plus sur ce sujet incroyable, et j’ai hâte de l’entendre parler.

Le blog en direct commencera quelques minutes avant 16h00 Pacifique ; rejoignez-nous ici et suivez-le !

15 h 50 : Il reste dix minutes avant le début du spectacle, et pour fêter ça, voici dix faits amusants (ou autant que nous pouvons en faire entrer) sur la gravité et les ondes gravitationnelles.

1.) Au lieu d’une « action à distance », où une force invisible s’exerce entre des masses, la relativité générale dit que la matière et l’énergie déforment le tissu de l’espace-temps, et que l’espace-temps déformé est ce qui se manifeste par la gravitation.

2.) Au lieu de se déplacer à une vitesse infinie, la gravitation ne se déplace qu’à la vitesse de la lumière.

3.) C’est important, car cela signifie que si des changements se produisent dans la position, la configuration, le mouvement, etc. d’un objet massif, les changements gravitationnels qui en découlent ne se propagent qu’à la vitesse de la lumière.

3:54 PM : 4.) Cela signifie que les ondes gravitationnelles, par exemple, ne peuvent se propager qu’à la vitesse de la lumière. Lorsque nous « détectons » une onde gravitationnelle, nous détectons le signal provenant du moment où cette configuration de masse a changé.

5.) Le premier signal détecté par LIGO s’est produit à une distance d’environ 1,3 milliard d’années-lumière. L’Univers était environ 10% plus jeune qu’aujourd’hui lorsque cette fusion s’est produite.

6.) Si la gravitation voyageait à une vitesse infinie, les orbites planétaires seraient complètement instables. Le fait que les planètes se déplacent en ellipse autour du Soleil impose que, si la relativité générale est correcte, la vitesse de la gravitation doit être égale à la vitesse de la lumière avec une précision d’environ 1%.

3:57 PM : 7.) Il y a beaucoup, beaucoup plus de signaux d’ondes gravitationnelles que ce que LIGO a vu jusqu’à présent ; nous avons seulement détecté le signal le plus facile à détecter.

8.) Ce qui fait qu’un signal est « facile » à voir est une combinaison de son amplitude, c’est-à-dire de la mesure dans laquelle il peut déformer une longueur de trajet, ou une distance dans l’espace, ainsi que de sa fréquence.

9.) Comme les bras de LIGO ne font que 4 kilomètres de long et que les miroirs réfléchissent la lumière des milliers de fois (mais pas plus), cela signifie que LIGO ne peut détecter que des fréquences de 1 Hz ou plus rapides.

10.) Pour les signaux plus lents, nous avons besoin de bras de levier plus longs et de sensibilités plus grandes, et cela signifiera aller dans l’espace. C’est l’avenir de l’astronomie des ondes gravitationnelles !

16 h 01 : Nous avons réussi ! Il est temps de commencer et de présenter Janna Levin ! (Prononcez « JAN-na », et non « YON-na », si vous vous posiez la question.)

16 h 05 : Voici la grande annonce/le grand coup : le premier enregistrement direct de la première onde gravitationnelle. Il a fallu 100 ans après qu’Einstein ait mis en avant la relativité générale, et elle joue un enregistrement ! Ne manquez pas d’aller l’écouter ! Après tout, que signifie « entendre » un son dans l’espace, et pourquoi s’agit-il d’un son ? C’est le but, dit-elle, de sa conférence.

16 h 08 : Si vous considérez ce qu’il y a dans l’Univers, nous n’avions aucun moyen de savoir quoi que ce soit à l’époque de Galilée. Nous pensions aux taches solaires, à Saturne, etc, et étions totalement incapables de concevoir les grandes échelles ou distances cosmiques. Oubliez le fait de  » concevoir d’autres galaxies « , nous n’avions rien conçu de tout cela !

16 h 10 : Janna montre l’une de mes vidéos préférées (que je reconnais) du Sloan Digital Sky Survey ! Ils ont fait un relevé de 400 000 galaxies parmi les plus proches et les ont cartographiées en trois dimensions. Voici à quoi ressemble notre Univers (proche), et comme vous pouvez le voir, c’est vraiment principalement de l’espace vide !

16:12 PM : Elle soulève un point vraiment génial qu’elle passe totalement sous silence : seulement environ 1 étoile sur 1000 deviendra un jour un trou noir. Il y a plus de 400 étoiles à moins de 30 années-lumière de nous, et zéro d’entre elles sont des étoiles O ou B, et zéro d’entre elles sont devenues des trous noirs. Ces étoiles les plus bleues, les plus massives et celles qui vivent le moins longtemps sont les seules qui deviendront des trous noirs.

16h15 : Lorsque vous considérez  » d’où vient la théorie d’Einstein « , Janna fait un excellent point : l’idée du principe d’équivalence. Si vous avez la gravité, vous pouvez considérer que vous vous sentez « lourd » sur votre chaise, par exemple. Mais cette réaction est exactement la même que celle que vous ressentiriez si vous aviez une accélération plutôt qu’une gravité. Ce n’est pas la gravité que vous ressentez, ce sont les effets de la matière qui vous entoure !

16 h 17 : Le groupe OKGO a fait une vidéo en volant dans la comète à vomi. Janna ne peut pas la montrer en entier, avec le son, pour des raisons de droits d’auteur, et vous la recommande vivement. Heureusement pour vous, grâce à internet… la voici ! Profitez-en à loisir !

16 h 19 : Il y a une autre énorme révélation pour la gravité : la façon dont nous comprenons le fonctionnement des choses vient de l’observation de leur chute. La Lune « tombe » autour de la Terre ; Newton l’a compris. Mais la Terre tombe autour du Soleil ; le Soleil « tombe » autour de la galaxie ; et les atomes « tombent » ici sur Terre. Mais la même règle s’applique à tous, tant qu’ils sont tous en chute libre. Incroyable!

16 h 21 : Voici une révélation amusante : arrêtez de penser à un trou noir comme à de la matière effondrée et écrasée, même si cela pourrait être son origine. Au lieu de cela, pensez-y comme une simple région d’espace vide ayant de fortes propriétés gravitationnelles. En fait, si tout ce que vous avez fait était d’attribuer une « masse » à cette région de l’espace, cela définirait parfaitement un trou noir de Schwarzschild (non chargé, non rotatif).

16 h 23 : Si vous tombiez dans un trou noir de la masse du Soleil, vous auriez environ une microseconde, entre le franchissement de l’horizon des événements (selon Janna) et le moment où vous seriez écrasé à mort par la singularité. Cela correspond à ce que j’ai calculé une fois, à savoir que, pour le trou noir situé au centre de la Voie lactée, nous disposerions d’environ 10 secondes. Étant donné que le trou noir de la Voie lactée est 4 000 000 fois plus massif que notre Soleil, le calcul fonctionne en quelque sorte !

16 h 26 : Comment feriez-vous pour détecter une onde gravitationnelle ? Honnêtement, ce serait comme d’être à la surface de l’océan ; vous bobinez de haut en bas le long de la surface de l’espace, et il y avait un grand débat dans la communauté pour savoir si ces ondes étaient réelles ou non. Ce n’est que lorsque Joe Weber est arrivé et a décidé d’essayer de mesurer ces ondes gravitationnelles, en utilisant un dispositif phénoménal — une barre d’aluminium — qui vibrait si une onde ondulatoire « pinçait » très légèrement la barre.

Weber a vu de nombreux signaux de ce type qu’il a identifiés comme des ondes gravitationnelles, mais ceux-ci, malheureusement, n’ont jamais été reproduits ou vérifiés. Il n’était, malgré toute son intelligence, pas un expérimentateur très soigneux.

16 h 29 : Il y a une bonne question de Jon Groubert sur twitter : « J’ai une question sur quelque chose qu’elle a dit – il y a quelque chose à l’intérieur d’un trou noir, n’est-ce pas ? Comme une étoile à neutrons lourde. » Il devrait y avoir une singularité, qui est soit ponctuelle (pour une singularité non tournante), soit un anneau unidimensionnel (pour une singularité tournante), mais pas de matière condensée, effondrée, tridimensionnelle.

Pourquoi pas ?

Parce que pour rester en tant que structure, une force doit se propager et être transmise entre les particules. Or, les particules ne peuvent transmettre des forces qu’à la vitesse de la lumière. Or rien, pas même la lumière, ne peut se déplacer « vers l’extérieur », vers la sortie d’un trou noir ; tout se déplace vers la singularité. Et donc, rien ne peut se maintenir, et tout s’effondre dans la singularité. C’est triste, mais la physique rend cette situation inévitable.

16:32 PM : Après les échecs de Weber (et sa chute de la célébrité), l’idée de LIGO est venue de Rai Weiss dans les années 1970. Il a fallu plus de 40 ans pour que LIGO se concrétise (et plus de 1 000 personnes pour y parvenir), mais le plus fantastique était qu’il était expérimentalement possible. En fabriquant deux bras de levier très longs, vous pouviez voir l’effet d’une onde gravitationnelle qui passe.

16:34 PM : C’est ma vidéo préférée qui illustre ce que fait une onde gravitationnelle. Elle déplace l’espace lui-même (et tout ce qu’il contient) d’avant en arrière d’une quantité infime. Si vous avez un interféromètre laser installé (comme LIGO), il peut détecter ces vibrations. Mais si vous étiez assez près et que vos oreilles étaient assez sensibles, vous pourriez sentir ce mouvement dans votre tympan !

16 h 35 : J’ai de très bons écouteurs, Périmètre, mais malheureusement je ne peux pas entendre les différents signaux des modèles d’ondes gravitationnelles que Janna est en train de jouer !

16:38 PM : Il est amusant de penser que c’est le vide le plus avancé du monde, à l’intérieur des détecteurs LIGO. Pourtant, les oiseaux, les rats, les souris, etc. sont tous là-dessous, et ils se frayent un chemin en rongeant presque toute la chambre à vide que la lumière traverse. Mais si le vide avait été rompu (il est constant depuis 1998), l’expérience aurait été terminée. En Louisiane, des chasseurs ont tiré sur les tunnels de LIGO. C’est horrifiant de voir à quel point cet équipement est sensible et cher, mais aussi à quel point tout cela est fragile.

16 h 41 : Janna fait un très bon travail en racontant cette histoire de manière à la fois pleine de suspense et très humaine. Nous avons seulement vu les quelques orbites finales de deux trous noirs en orbite, drastiquement ralenties dans le film ci-dessus. Ils n’étaient séparés que de quelques centaines de kilomètres, ces quatre orbites finales ont pris 200 millisecondes, et c’est l’intégralité du signal que LIGO a vu.

16 h 43 : Si vous avez du mal à écouter/entendre les événements de l’exposé, écoutez cette vidéo (ci-dessus), à la fois en hauteur naturelle et en hauteur augmentée. Les trous noirs les plus petits (environ 8 et 13 masses solaires) du 26 décembre 2015 sont à la fois plus silencieux et plus aigus que les plus grands (29 et 36 masses solaires) du 14 septembre de la même année.

16:46 PM : Juste une petite correction : Janna dit que c’était l’événement le plus puissant jamais détecté depuis le Big Bang. Et ce n’est que techniquement vrai, en raison des limites de notre détection.

Lorsque nous avons des fusions de trous noirs quelconques, environ 10% de la masse du trou noir le moins massif dans une paire de fusion se transforme en énergie pure via E = mc2 d’Einstein. 29 masses solaires, c’est beaucoup, mais il va y avoir des trous noirs de centaines de millions ou même de milliards de masses solaires qui ont fusionné ensemble. Et nous en avons la preuve.

4:49 PM : Voici le JO 287, où un trou noir de 150 millions de masse solaire orbite autour d’un trou noir de ~18 milliards de masse solaire. Il faut 11 ans pour qu’une orbite complète se produise, et la relativité générale prédit une précession de 270 degrés par orbite ici, contre 43 secondes d’arc par siècle pour Mercure.

4:51 PM : Janna a fait un travail incroyable en terminant à l’heure ici ; je n’ai jamais vu un discours d’une heure se terminer réellement après 50 minutes lors d’une conférence publique du Périmètre. Wow !

16:52 PM : Que se passerait-il si la Terre était aspirée par un trou noir ? (Q&Une question de Max.) Bien que Janna donne une excellente réponse, j’aimerais souligner que, du point de vue des ondes gravitationnelles, la Terre serait déchiquetée, et nous obtiendrions un signal d’onde  » étalé « , c’est-à-dire un signal beaucoup plus bruyant et statique. Une fois la Terre avalée, l’horizon des événements grandirait juste un tout petit peu, car trois millionièmes de masse solaire supplémentaires augmenteraient le rayon du trou noir de cette quantité minuscule et correspondante.

16 h 55 : Quel exposé amusant, une session de Q&A géniale et rapide, et une excellente expérience dans l’ensemble. Profitez-en encore et encore, car la vidéo de la conférence est maintenant intégrée sous forme de permalien. Et merci de nous avoir écoutés !