Le jour officiel de la découverte (détection) des ondes gravitationnelles est le 11 février 2016. C'est alors, lors d'une conférence de presse à Washington, que les dirigeants de la collaboration LIGO ont annoncé qu'une équipe de chercheurs avait réussi à enregistrer ce phénomène pour la première fois dans l'histoire de l'humanité.
Prophéties du grand Einstein
Même au début du siècle dernier (1916), Albert Einstein a suggéré que les ondes gravitationnelles existent dans le cadre de la Théorie Générale de la Relativité (RG) formulée par lui. On ne peut que s'émerveiller devant les brillantes capacités du célèbre physicien, qui, avec un minimum de données réelles, a pu tirer des conclusions d'une telle portée. Parmi les nombreux autres phénomènes physiques prédits qui ont été confirmés au siècle suivant (ralentissement de l'écoulement du temps, changement de direction du rayonnement électromagnétique dans les champs gravitationnels, etc.), il n'a pas été possible de détecter pratiquement la présence de ce type d'onde l'interaction des corps jusqu'à récemment.
La gravité est une illusion ?
En général, à la lumièreLa théorie de la relativité peut difficilement appeler la gravité une force. Ceci est une conséquence de la perturbation ou de la courbure du continuum espace-temps. Un bon exemple illustrant ce postulat est un morceau de tissu tendu. Sous le poids d'un objet massif placé sur une telle surface, un évidement se forme. D'autres objets se déplaçant à proximité de cette anomalie modifieront la trajectoire de leur mouvement, comme s'ils étaient "attirés". Et plus le poids de l'objet est important (plus le diamètre et la profondeur de la courbure sont grands), plus la "force d'attraction" est élevée. Lorsqu'il se déplace à travers le tissu, vous pouvez observer l'apparition d'une "ondulation" divergente.
Quelque chose de similaire se produit dans l'espace mondial. Toute matière massive en mouvement rapide est une source de fluctuations de la densité de l'espace et du temps. Une onde gravitationnelle d'amplitude importante, formée par des corps aux masses extrêmement importantes ou se déplaçant avec d'énormes accélérations.
Caractéristiques physiques
Les fluctuations de la métrique spatio-temporelle se manifestent par des changements dans le champ gravitationnel. Ce phénomène est autrement appelé ondulations spatio-temporelles. L'onde gravitationnelle agit sur les corps et objets rencontrés, les comprimant et les étirant. Les valeurs de déformation sont très petites - environ 10-21 de la taille d'origine. Toute la difficulté de détecter ce phénomène était que les chercheurs devaient apprendre à mesurer et à enregistrer de tels changements à l'aide d'un équipement approprié. La puissance du rayonnement gravitationnel est également extrêmement faible - pour l'ensemble du système solaire, elle estquelques kilowatts.
La vitesse de propagation des ondes gravitationnelles dépend légèrement des propriétés du milieu conducteur. L'amplitude d'oscillation diminue progressivement avec la distance de la source, mais n'atteint jamais zéro. La fréquence est comprise entre plusieurs dizaines et centaines de hertz. La vitesse des ondes gravitationnelles dans le milieu interstellaire se rapproche de la vitesse de la lumière.
Preuve circonstancielle
Pour la première fois, la confirmation théorique de l'existence des ondes de gravité a été obtenue par l'astronome américain Joseph Taylor et son assistant Russell Hulse en 1974. En étudiant les étendues de l'Univers à l'aide du radiotélescope de l'Observatoire d'Arecibo (Puerto Rico), les chercheurs ont découvert le pulsar PSR B1913+16, qui est un système binaire d'étoiles à neutrons tournant autour d'un centre de masse commun avec une vitesse angulaire constante (un cas assez rare). Chaque année, la période de révolution, qui était à l'origine de 3,75 heures, est réduite de 70 ms. Cette valeur est tout à fait cohérente avec les conclusions des équations GR prédisant une augmentation de la vitesse de rotation de tels systèmes due à la dépense d'énergie pour la génération d'ondes gravitationnelles. Par la suite, plusieurs pulsars doubles et naines blanches au comportement similaire ont été découverts. Les radioastronomes D. Taylor et R. Hulse ont reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour avoir découvert de nouvelles possibilités d'étude des champs gravitationnels.
Onde de gravité échappée
Première déclaration surla détection des ondes de gravité est venue du scientifique de l'Université du Maryland Joseph Weber (USA) en 1969. À ces fins, il a utilisé deux antennes gravitationnelles de sa propre conception, séparées par une distance de deux kilomètres. Le détecteur résonant était un cylindre en aluminium monobloc de deux mètres bien vibré équipé de capteurs piézoélectriques sensibles. L'amplitude des fluctuations prétendument enregistrées par Weber s'est avérée plus d'un million de fois supérieure à la valeur attendue. Les tentatives d'autres scientifiques utilisant un tel équipement pour répéter le "succès" du physicien américain n'ont pas donné de résultats positifs. Quelques années plus tard, les travaux de Weber dans ce domaine ont été reconnus comme intenables, mais ont donné une impulsion au développement d'un "boom gravitationnel" qui a attiré de nombreux spécialistes vers ce domaine de recherche. Soit dit en passant, Joseph Weber lui-même était sûr jusqu'à la fin de ses jours qu'il recevait des ondes gravitationnelles.
Amélioration de l'équipement de réception
Dans les années 70, le scientifique Bill Fairbank (États-Unis) a développé la conception d'une antenne à ondes gravitationnelles refroidie par de l'hélium liquide à l'aide de SQUID - des magnétomètres supersensibles. Les technologies qui existaient à cette époque ne permettaient pas à l'inventeur de voir son produit, réalisé en "métal".
Le détecteur gravitationnel Auriga a ainsi été réalisé au Laboratoire National Legnard (Padoue, Italie). La conception est basée sur un cylindre en aluminium-magnésium de 3 mètres de long et 0,6 m de diamètre Un dispositif récepteur pesant 2,3 tonnessuspendu dans une chambre à vide isolée refroidie presque au zéro absolu. Un résonateur kilogramme auxiliaire et un complexe de mesure informatisé sont utilisés pour fixer et détecter les vibrations. Sensibilité déclarée de l'équipement 10-20.
Interféromètres
Le fonctionnement des détecteurs d'interférences d'ondes gravitationnelles repose sur les mêmes principes que l'interféromètre de Michelson. Le faisceau laser émis par la source est divisé en deux flux. Après plusieurs réflexions et déplacements le long des épaules de l'appareil, les flux sont à nouveau réunis et l'image d'interférence finale est utilisée pour déterminer si des perturbations (par exemple, une onde gravitationnelle) ont affecté le parcours des rayons. Des équipements similaires ont été créés dans de nombreux pays:
- GEO 600 (Hanovre, Allemagne). La longueur des tunnels sous vide est de 600 mètres.
- TAMA (Japon) 300m épaules
- VIRGO (Pise, Italie) est un projet commun franco-italien lancé en 2007 avec des tunnels de 3 km.
- LIGO (USA, Pacific Coast), chasse aux ondes de gravité depuis 2002.
Le dernier mérite d'être examiné plus en détail.
LIGO Avancé
Le projet a été lancé par des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology et du California Institute of Technology. Comprend deux observatoires séparés de 3 000 km, dans les États de Louisiane et de Washington (les villes de Livingston et Hanford) avec trois interféromètres identiques. Longueur du vide perpendiculairetunnels est de 4 mille mètres. Ce sont les plus grandes structures de ce type actuellement en activité. Jusqu'en 2011, de nombreuses tentatives de détection d'ondes de gravité n'ont donné aucun résultat. La modernisation importante effectuée (Advanced LIGO) a multiplié par plus de cinq la sensibilité de l'équipement dans la plage de 300 à 500 Hz et dans la région des basses fréquences (jusqu'à 60 Hz) de près d'un ordre de grandeur, atteignant une valeur aussi convoitée de 10-21. Le projet mis à jour a démarré en septembre 2015 et les efforts de plus d'un millier de collaborateurs ont été récompensés par des résultats.
Ondes de gravité détectées
Le 14 septembre 2015, des détecteurs LIGO avancés avec un intervalle de 7 ms ont enregistré des ondes gravitationnelles qui ont atteint notre planète à partir du plus grand phénomène qui s'est produit à la périphérie de l'Univers observable - la fusion de deux grands trous noirs avec des masses 29 et 36 fois la masse du Soleil. Au cours du processus, qui a eu lieu il y a plus de 1,3 milliard d'années, environ trois masses solaires de matière ont été dépensées pour le rayonnement des ondes de gravité en quelques fractions de seconde. La fréquence initiale des ondes gravitationnelles a été enregistrée à 35 Hz et la valeur de crête maximale a atteint 250 Hz.
Les résultats obtenus ont été soumis à plusieurs reprises à une vérification et à un traitement complets, les interprétations alternatives des données obtenues ont été soigneusement coupées. Enfin, le 11 février de l'année dernière, l'enregistrement direct du phénomène prédit par Einstein a été annoncé à la communauté mondiale.
Fait illustrant le travail titanesque des chercheurs: l'amplitude des fluctuations des dimensions des bras de l'interféromètre était de 10-19m - cette valeur est d'autant plus petite que le diamètre de un atome car il est plus petit qu'une orange.
Autres perspectives
La découverte confirme une fois de plus que la théorie générale de la relativité n'est pas seulement un ensemble de formules abstraites, mais un regard fondamentalement nouveau sur l'essence des ondes gravitationnelles et de la gravité en général.
Dans la poursuite des recherches, les scientifiques placent de grands espoirs dans le projet ELSA: la création d'un interféromètre orbital géant avec des bras d'environ 5 millions de km, capable de détecter des perturbations même mineures des champs gravitationnels. L'intensification des travaux dans ce sens peut en dire long sur les grandes étapes du développement de l'Univers, sur des processus difficiles ou impossibles à observer dans les bandes traditionnelles. Il ne fait aucun doute que les trous noirs, dont les ondes gravitationnelles seront fixées dans le futur, en diront long sur leur nature.
Pour étudier le rayonnement gravitationnel relique, qui peut raconter les premiers instants de notre monde après le Big Bang, des instruments spatiaux plus sensibles seront nécessaires. Un tel projet existe (Big Bang Observer), mais sa mise en œuvre, selon les experts, est possible au plus tôt dans 30-40 ans.
