Ondes gravitationnelles
Une découverte nommée "désirée"

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Pour aller plus loin : Le mollusque d'Einstein

Les ondes gravitationnelles et leur découverte tant attendue

Au lieu de perdre nos précieuses vies à lutter contre des ego pathologiques et surdimensionnés entrainant l'humanité dans la barbarie et l'obscurantisme, nous devrions être en train de fêter joyeusement le centenaire de la publication de la théorie de la relativité générale (en allemand : Allgemeine Relativitätstheorie ou ART) et, en particulier, la découverte très récente de l'existence d'ondes gravitationnelles.

  • Si l'acceptation de l'ART par la communauté scientifique n'a pas été immédiate, excepté peut-être pour ce qui concerne la confirmation de la prédiction de la déviation de la lumière des étoiles lointaines par le champ de gravitation solaire (celui de notre bon vieux soleil) lors de l'éclipse du 29 mai 1919 [01]), force est de constater qu'elle a fini par progressivement éliminer ses challengers (théorie d'Heisenberg-Einstein, de Jordan-Thiry, etc. voir [02]), sauf peut-être une (la théorie d'Einstein-Cartan) et gagner progressivement ses lettres de noblesse. Il n'y aurait aujourd'hui par exemple pas de GPS [03] si cette théorie n'avait pas été énoncée.
  • Cependant comme toutes les autres découvertes humaines, elle connaît des limites au-delà desquelles elle ne semble plus s'appliquer avec l'exactitude suffisante, ou alors, au-delà desquelles la pertinence de ses arguments semble mise en échec par les faits expérimentaux.

Récemment, intervenant sur un blog anglophone consacré à la physique, un internaute probablement peu au fait des calculs théoriques ou des réalités expérimentales notait que l'ART semblait essentiellement bien s'appliquer au sein du système solaire mais beaucoup moins bien dès le moment où nous cherchions à la tester à des distances plus lointaines. Pour soutenir son argumentation il avançait la nécessité dans laquelle la communauté scientifique s'est trouvée d'introduire des rustines pour colmater les brèches ouvertes dans le modèle ; par exemple : l'énergie sombre, la matière noire pour expliquer l'expansion de l'univers [04].

Il n'en est rien (voir par exemple la page consacrée à la découverte des Céphéides sur ce site). Outre que, contrairement à ce qu'affirme cet internaute, l'introduction de la constante cosmologique [05] dans les équations de l'ART permet de donner de la souplesse au modèle, une prédiction essentielle de l'ART a valu le prix Nobel 1993 à Hulse et Taylor [06] pour des objets situés bien au-delà de notre système solaire.

Il n'en demeure pas moins vrai qu'un certain nombre de zones d'ombre s'accumulent sur ce pilier de la science moderne et sur le modèle standard des particules (voir les motivations du prix Nobel 2015 [07]). 

Les calculs appuyant la prédiction datent bientôt d'un siècle. Ils peuvent être trouvés en ligne et vérifiés par toute personne maîtrisant les bases du calcul tensoriel (au moins niveau Mathématiques supérieures). Ils reposent sur l'étude des « petites » perturbations de la métrique de « fond » (supposée être celle d'un univers dépourvu de matière ; à savoir : celle de Minkowski [08]).

  • Après quelques pages de calcul, il peut être prouvé que ces petites perturbations sont proportionnelles aux variations d'ordre deux (dérivées secondes) du moment quadripolaire gravitationnel signant la présence d'une répartition de matière quelque part. Pour faire court, une telle répartition devrait -d'après ces calculs- générer une perturbation métrique que des instruments suffisamment sensibles disposés sur Terre pourraient en principe détecter.

De nombreuses difficultés se sont dressées sur le chemin des équipes scientifiques : (a) Quelles sources lointaines sont suffisamment puissantes pour émettre ces ondes jusqu'à nous à une intensité mesurable ? (b) De quels détecteurs suffisamment « sensibles » disposons-nous sur Terre pour capter ces signaux ? (c) Comment les distinguer d'un fond ambiant de vibrations dont l'origine n'est pas gravitationnelle ? Une équipe américaine a proposé de doper la sensibilité des détecteurs en utilisant la supraconduction (voir comment dans [09])

  • Les épreuves ont été colossales, ce qui explique qu'il ait fallu attendre jusqu'en 2016 pour que ces ondes aient enfin pu être détectées. 

Bibliographie consultée :

[01] http://villemin.gerard.free.fr/Science/Ecli1919.htm

[02] Lehrbuch der theoretischen Physik, Band II, Klassische Feldtheorie: L.D. Landau, E.M. Lifschitz; 12. ueberarbeitete Auslage, in dt. Sprache hrsg. von Hans-Georg Schoepf [Uebers. aus dem russ. von Georg Dautcourt], - 1992, ISBN 3-05-501550-9.

[03] https://fr.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System

[04] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/

[05] https://fr.wikipedia.org/wiki/Constante_cosmologique

[06] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/

[07] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/

[08] https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9trique_de_Minkowski

[09] http://scitechdaily.com/superconducting-detectors-could-help-find-gravitational-waves-and-extrasolar-planets/

Thierry PERIAT, créée en mai 2016, révisée le 07 décembre 2017