Lorsque deux trous noirs fusionnent, ils libèrent des ondes gravitationnelles. Ces ondes peuvent être détectées sur Terre, permettant aux scientifiques de mieux les comprendre.
Maggie Chiang/Fondation Simons
Le 14 septembre 2015, les physiciens ont atteint un objectif longtemps désiré : détecter des ondes gravitationnelles, ces ondes de choc générées par des événements cataclysmiques comme la fusion violente de deux trous noirs.
Cette avancée majeure a rapidement valu à trois des figures clés de ce projet le prix Nobel de physique. Au cours de la décennie qui a suivi, les scientifiques ont détecté des centaines de trous noirs se regroupant, ainsi que d’autres événements cosmiques extrêmes comme des collisions d’étoiles à neutrons.
Dans une étude publiée dans la revue Physical Review Letters, des chercheurs affirment avoir développé leur capacité à analyser les ondes gravitationnelles au point de vérifier une idée fondamentale sur la croissance des trous noirs, énoncée par Stephen Hawking en 1971.
« Il existe une phrase célèbre en physique qu’a développée Stephen Hawking, qui stipule que la surface d’un trou noir ne peut jamais diminuer », explique Maximiliano Isi, astrophysicien à l’Université de Columbia et à l’Institut Flatiron.
Cette observation a été faite après l’analyse des ondes gravitationnelles détectées plus tôt cette année. Le 14 janvier, les détecteurs ont enregistré des ondes provenant de deux trous noirs en collision, distants d’environ 1,3 milliard d’années-lumière.
Ces trous noirs avaient des masses 30 à 40 fois supérieures à celle de notre soleil, rendant leur collision similaire à celle ayant conduit à la première détection d’ondes gravitationnelles en 2015. Depuis, les deux énormes détecteurs gérés par LIGO, en Louisiane et dans l’État de Washington, ont subi plusieurs mises à jour.
« Grâce aux récentes améliorations, nous enregistrons le signal avec une netteté bien supérieure », déclare Katerina Chatziioannou, physicienne des ondes gravitationnelles à Caltech.
Cette avancée a permis une nouvelle analyse, montrant qu’auparavant, les deux trous noirs avaient une surface combinée de 240 000 kilomètres carrés (environ la taille de l’Oregon). Après leur fusion, le trou noir résultant avait une surface d’environ 400 000 kilomètres carrés (approximativement la taille de la Californie).
La théorie de Hawking stipule que la surface finale du trou noir doit être supérieure à la somme des deux surfaces initiales, ce que cette étude a pu démontrer de manière observable avec ce signal.
Cependant, à l’époque de la première détection d’ondes gravitationnelles, cela n’était pas possible en raison du bruit excessif dans les données et de l’insuffisance des techniques analytiques.
Hawking, qui est décédé en 2018, aurait sans doute été ravi de cette avancement, notamment pour le test de ses prédictions. « C’est une manière de faire vivre son héritage », conclut Isi.
« Toutes ces idées que l’on croyait autrefois être de simples spéculations des années 70 se matérialiseront maintenant dans des données concrètes », ajoute Isi. « Nous voyons ces événements se dérouler presque exactement comme prévu. »
Albert Einstein, qui avait prédit l’existence des ondes gravitationnelles en 1916, pensait qu’elles ne pourraient jamais être détectées. « Si nous lui avions dit que nous détectons des ondes gravitationnelles provenant de collisions de trous noirs presque tous les deux jours, cela aurait sans doute été époustouflant pour lui », affirme Isi.
Les chercheurs restent surpris par le nombre de fusions de trous noirs observées, signale Gabriela González, chercheuse en ondes gravitationnelles à l’Université de la Louisiane. « Nous avons observé tant de fusions de trous noirs que j’hésite parfois à appeler cela ‘astronomie des trous noirs’ au lieu de ‘astronomie des ondes gravitationnelles’ », dit-elle.
Elle s’attendait à observer davantage de fusions d’étoiles à neutrons, mais n’en a vu que quelques exemples jusqu’à présent. Cela pourrait changer, car les chercheurs planifient déjà de nouveaux détecteurs d’ondes gravitationnelles encore plus grands, qui seraient dix fois plus sensibles. « C’est notre rêve », conclut-elle, ajoutant que dans une décennie, ces détecteurs pourraient être en construction, voire même achevés.
Toutefois, cela dépendra du financement disponible. Le LIGO actuel, financé par la National Science Foundation, fait face à des coupures budgétaires potentielles, le gouvernement précédent ayant proposé des réductions significatives pour 2026.
Notre Opinion Tech
Dans le domaine de l’astrophysique, les progrès récents dans la détection des ondes gravitationnelles ne font pas que confirmer des théories longtemps établies ; ils ouvrent également la voie à de nouvelles interrogations sur la nature même de notre univers. La capacité d’analyser ces signaux, affinée par des décennies de recherche et d’innovation technique, nous permet de plonger plus profondément dans les mystères qui entourent les trous noirs. Ce chemin pourrait bien être le point de départ d’une nouvelle ère en astrophysique, où le rêve de pouvoir observer les événements les plus extraordinaires de l’univers se rapproche de la réalité.
Bon à savoir : La détection des ondes gravitationnelles représente une avancée considérable dans notre compréhension de l’univers, mais cela implique également des investissements continus dans la recherche scientifique. Les initiatives de financement jouent un rôle crucial pour assurer que les projets tels que LIGO puissent poursuivre leurs travaux et apporter de nouvelles révélations sur les phénomènes cosmiques.