Une moisson de nouvelles planètes
Clément Delorme dans mensuel 487
daté mai 2014 -

Dix-huit ans serait-il l'âge de la majorité en astrophysique aussi ? Quelques mois après le dix-huitième anniversaire de la découverte de la première planète extrasolaire, 51 Pegasi b, et tandis que le compteur dépassait à peine le millier, la NASA a en effet annoncé la découverte confirmée de 715 nouvelles planètes d'un seul coup [1]. Qui plus est, cette moisson n'est issue que de quelques mois de réanalyse des observations réalisées entre 2009 et 2011 par le télescope spatial Kepler.

En 2009, Kepler a été placé en orbite autour du Soleil dans un mouvement qui suit celui de la Terre. Pendant les quatre ans et deux mois qui ont suivi (le télescope est tombé en panne en 2013), il n'a pas chômé. Sans discontinuer, il a observé jusqu'à 150 000 étoiles simultanément, dans une portion de notre galaxie visible entre les constellations du Cygne et de la Lyre.

Les observations de Kepler reposent sur la photométrie : l'appareil enregistre en continu la variation de la brillance de chaque étoile en fonction du temps. La longue durée d'observation a permis d'identifier des étoiles affichant une baisse de luminosité périodique, signe qu'une ou plusieurs exoplanètes se trouvent peut-être en orbite. En effet, lorsqu'une étoile est accompagnée d'une planète, à chaque fois que celle-ci passe entre l'étoile et l'objectif de Kepler, la luminosité baisse sensiblement [fig. 1].

Toutefois, cette méthode d'observation dite de « transit planétaire » ne sert habituellement qu'à identifier des « planètes candidates » dont il convient de vérifier par la suite l'existence à l'aide d'autres méthodes. « La méthode de transit génère de nombreux faux positifs, explique Christophe Lovis, de l'Observatoire de Genève. Plusieurs autres mécanismes astrophysiques peuvent engendrer la baisse de luminosité d'une étoile en l'absence d'exoplanète. » L'un des cas les plus fréquents concerne les systèmes d'étoiles binaires, où deux astres rapprochés tournent l'un autour de l'autre et s'éclipsent à tour de rôle.

Pour distinguer le vrai du faux, les astrophysiciens se plient donc normalement à une vérification par la méthode dite de « vélocimétrie ». Une étoile accompagnée d'une planète ou d'une autre étoile est en effet en orbite gravitationnelle autour de ce compagnon. Vue de la Terre, l'étoile s'éloigne et se rapproche donc, alternativement, au rythme des orbites. Son rayonnement est ainsi légèrement modifié par effet Doppler*.

Variations de vitesse
À l'aide d'un instrument au sol, tel Harps (acronyme anglais pour « chercheur de planète par vitesse radiale de haute précision »), installé sur le télescope de La Silla, au Chili, on mesure donc les variations de vitesse de l'étoile le long de la ligne de visée, autrement dit sa vitesse radiale. Et comme plus l'objet en orbite est massif, plus la vitesse radiale qu'il imprime est importante, la mesure de cette dernière permet de distinguer, parmi les compagnons possibles, une étoile d'une planète plusieurs milliers de fois plus légère. La vélocimétrie présente toutefois un inconvénient majeur : elle prend du temps. Pour obtenir un résultat fiable, on doit en effet enregistrer plusieurs révolutions d'une exoplanète autour de son étoile, phénomène qui peut durer, suivant la distance qui les sépare, entre quelques jours et quelques années.

Mais dans le cas présent, l'annonce de la NASA ne repose pas sur l'utilisation de la vélocimétrie. Comment Jack Lissauer et Jason Rowe, principaux auteurs des articles qui ont présenté ces résultats, et leurs collègues ont-ils procédé ? En fait, ils se sont intéressés à des systèmes stellaires particuliers. Leur annonce ne concerne que des systèmes multiplanétaires, ceux où deux planètes au moins tournent autour d'une même étoile [2] [fig.2]. Ainsi, les 715 nouvelles planètes sont en orbite autour de 305 étoiles seulement.

« En traitant des systèmes multitransits, la NASA a pu prouver que la probabilité que leurs candidats soient des faux positifs est quasi nulle », indique François Bouchy, du laboratoire d'astrophysique de Marseille. Pour étayer ses résultats, la NASA a donc montré que les différents scénarios à la source de faux positifs étaient peu probables dans les systèmes multitransits où plusieurs éclipses interviennent à des périodes différentes. « Dans un premier temps, les astronomes américains ont examiné à la loupe les courbes de lumières de chaque étoile afin de différencier les transits planétaires des transits stellaires qui n'ont pas exactement la même forme. Les éclipses stellaires ont une forme en "V" et sont plus prononcées en termes de contraste lumineux, que les éclipses planétaires en "U" plus difficiles à observer », précise l'astrophysicien.

Comme si les transits de systèmes d'étoiles binaires ne ressemblaient pas assez à ceux dus à des planètes, il arrive parfois que l'éclat d'une troisième étoile brillante, située en arrière-plan, se superpose à la lumière des deux étoiles liées. Le contraste des éclipses qu'elles créent est alors réduit. Pour s'assurer qu'ils n'assistaient pas à ce phénomène de contamination par une troisième étoile lointaine, les astronomes ont analysé la position du barycentre photométrique de chaque pixel du capteur de Kepler : ils ont ainsi vérifié que les variations lumineuses proviennent bien de l'étoile à laquelle ils s'intéressent.

Enfin, pour consolider encore ses conclusions, la NASA a estimé, au moyen de simulations, la stabilité dynamique des systèmes multitransits. Le raisonnement est le suivant. Si le transit observé n'est pas planétaire, il ne peut être que stellaire. Dans un système multitransit que se passerait-il si l'on avait des étoiles à la place des exoplanètes ?

Réponse des simulations : le chaos. Les interactions entre étoiles autour d'un astre principal avec des orbites très proches les unes des autres déstabiliseraient le système, avec à la clé des trajectoires erratiques et l'éjection d'étoiles dans l'espace. Impossible d'observer des variations périodiques de luminosité de l'étoile principale.

À partir de ces travaux fondés sur les données de Kepler et de nos connaissances actuelles de notre galaxie, telle la proportion d'étoiles binaires qui s'y trouvent, la NASA a estimé la fiabilité de ses résultats à 99 %. « L'étude est sérieuse, juge François Bouchy. Néanmoins, l'expérience acquise au travers des suivis réalisés au sol sur les candidats planétaires repérés par les télescopes spatiaux précédents nous dit que le taux de faux positifs reste élevé (de l'ordre de 70 % pour CoRoT, cousin européen de Kepler). Même pour l'appareil américain, plus récent et donc plus précis, un tiers des candidats planètes géantes se sont révélés être des faux positifs. La NASA fait souvent preuve d'optimisme. »

Excitation et frustration
L'annonce reste à la fois excitante et frustrante. Excitante, car elle apporte des preuves supplémentaires que, à l'instar de notre système solaire, les planètes des systèmes multiples ont leurs orbites toutes contenues approximativement dans le même plan. Par ailleurs, parmi les 95 % de planètes plus petites que Neptune (elle-même quatre fois plus grande que la Terre), on trouve quatre nouvelles planètes, 1,8 à 2,5 fois plus grandes que la Terre, situées dans les zones habitables de leurs étoiles, là où les conditions de température ne s'opposent pas à l'existence d'eau liquide, composante essentielle de la vie (même si les modèles actuels prévoient que ces planètes soient plutôt gazeuses).

Frustrante, car la majorité des planètes détectées par transit par Kepler ne seront pas observables depuis le sol, les étoiles autour desquelles elles orbitent n'étant pas assez lumineuses. Impossible alors de les caractériser, de connaître leur densité ou leur excentricité par exemple. Le télescope spatial ne fournit d'informations que sur leur taille et leur orbite, ce qui ne suffit pas pour comprendre la formation des systèmes multiplanétaires et de chacun de leurs membres.

Pour autant, Kepler n'a pas livré la totalité de ses secrets. L'annonce de la NASA ne s'appuie que sur les données collectées pendant les deux premières années du fonctionnement du télescope. En analysant les courbes de lumière enregistrées jusqu'à son arrêt, les astrophysiciens devraient encore ajouter à leur tableau de chasse de nouvelles planètes aux périodes de révolutions plus longues, situées plus loin de leur étoile.
*L'EFFET DOPPLER est la modification de la longueur d'onde du rayonnement d'une source en mouvement par rapport à l'observateur.
L'ESSENTIEL
- LA NASA a annoncé la découverte de 715 nouvelles planètes grâce au télescope spatial Kepler.

- TOUTES CES PLANÈTES se trouvent dans des systèmes où au moins une autre planète tourne autour de la même étoile.

- L'OBSERVATION de systèmes multiplanétaires permet de s'affranchir de vérification par des télescopes au sol.
DES EXOPLANÈTES VUES DE LA TERRE
Il n'est pas indispensable d'envoyer un télescope dans l'espace pour découvrir de nouvelles planètes. Depuis le sol, et avec des budgets dix fois moins important, on peut désormais observer directement le rayonnement infrarouge émis par des planètes chaudes récemment formées (de quelques dizaines à quelques centaines de millions d'années). « Grâce aux techniques d'optique adaptative et de coronographie, nous pouvons annuler 90 % de l'effet gênant produit par la turbulence de l'atmosphère et compenser l'énorme différence d'éclat entre la planète et son étoile, qui restreignaient beaucoup nos observations jusqu'à aujourd'hui », explique Jean-Luc Beuzit, de l'observatoire de Grenoble. Ainsi, en pointant son objectif sur une seule étoile, un télescope de 8 mètres peut identifier une planète en seulement une nuit. Les images permettent également d'entamer une analyse scientifique de la planète, en fournissant des informations sur sa masse, sa taille, sa température, et même sur les gaz qui composent son atmosphère.

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Paris, 4 juillet 2016
Un impact géant : le mystère de l'origine des lunes de Mars enfin percé

D'où viennent Phobos et Deimos, les deux petits satellites naturels de Mars ? Longtemps, leur forme a fait croire qu'ils étaient des astéroïdes capturés par Mars. Cependant la forme et l'orientation de leur orbite contredisent cette hypothèse. Deux études indépendantes et complémentaires apportent une réponse à cette question. Dans l'une, sous presse dans The Astrophysical Journal, des chercheurs majoritairement du CNRS et d'Aix-Marseille Université1 excluent la capture d'astéroïdes et montrent que le seul scénario compatible avec les propriétés de surface de Phobos et Deimos est celui d'un impact géant. Dans l'autre étude, grâce à des simulations numériques de pointe, une équipe belgo-franco-japonaise montre comment ces satellites ont pu se former à partir des débris d'une collision titanesque entre Mars et un embryon de planète trois fois plus petit. Ces travaux, fruit d'une collaboration entre des chercheurs de l'Université Paris Diderot et de l'Observatoire royal de Belgique, en collaboration avec le CNRS, l'Université de Rennes 12 et l'institut japonais ELSI, sont publiés le 4 juillet 2016 dans la revue Nature Geoscience.
L'origine des deux lunes de Mars, Phobos et Deimos, restait un mystère. Par leur petite taille et leur forme irrégulière, elles ressemblent beaucoup à des astéroïdes, mais on ne comprend pas comment Mars aurait pu les « capturer » pour en faire des satellites en orbite presque circulaire, dans le plan équatorial de la planète. Selon une théorie concurrente, Mars aurait subi à la fin de sa formation un impact géant avec un embryon de planète ; mais pourquoi les débris d'un tel impact auraient-ils formé deux petits satellites plutôt qu'une énorme lune, comme celle de la Terre ? Une troisième possibilité serait que Phobos et Deimos se soient formés en même temps que Mars, ce qui impliquerait qu'ils aient la même composition que leur planète ; cependant, leur faible densité semble contredire cette hypothèse. Aujourd'hui, deux études indépendantes viennent conforter la théorie de l'impact géant.

Dans l'une d'elles, une équipe de recherche belgo-franco-japonaise propose pour la première fois un scénario complet et cohérent de formation de Phobos et Deimos, qui seraient nés des suites d'une collision entre Mars et un corps primordial trois fois plus petit, 100 à 800 millions d'années après le début de la formation de la planète. Selon ces chercheurs, les débris de cette collision auraient formé un disque très étendu autour de Mars, formé d'une partie interne dense, composée de matière en fusion et d'une partie externe très fine, majoritairement gazeuse. Dans la partie interne de ce disque se serait d'abord formée une lune mille fois plus massive que Phobos, aujourd'hui disparue. Les perturbations gravitationnelles créées dans le disque externe par cet astre massif auraient catalysé l'assemblage de débris pour former d'autres petites lunes plus lointaines. Au bout de quelques milliers d'années, Mars se serait alors retrouvée entourée d'un cortège d'une dizaine de petites lunes et d'une énorme lune. Plusieurs millions d'années plus tard, une fois le disque de débris dissipé, les effets de marée avec Mars auraient fait retomber sur la planète la plupart de ces satellites, dont la très grosse lune. Seules ont subsisté les deux petites lunes les plus lointaines, Phobos et Deimos (voir l'infographie en fin de communiqué).

À cause de la diversité des phénomènes physiques mis en jeu, aucune simulation numérique n'est capable de modéliser l'ensemble du processus. L'équipe de Pascal Rosenblatt et Sébastien Charnoz a dû alors combiner trois simulations de pointe successives pour rendre compte de la physique de l'impact géant, de la dynamique des débris issus de l'impact et de leur assemblage pour former des satellites, et enfin de l'évolution à long terme de ces satellites.

Dans l'autre étude, des chercheurs du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université) excluent la possibilité d'une capture, sur la base d'arguments statistiques et en se fondant sur la diversité de composition des astéroïdes. De plus, ils montrent que la signature lumineuse émise par Phobos et Deimos est incompatible avec celle du matériau primordial qui aurait pu former Mars (des météorites de la classe des chondrites ordinaires, des chondrites à enstatite et/ou des angrites). Ils s'attachent donc au scénario de l'impact. Ils déduisent de cette signature lumineuse que les satellites sont composés de poussières fines (de taille inférieure au micromètre3).

Or, la très petite taille des grains à la surface de Phobos et Deimos ne peut pas être expliquée uniquement comme la conséquence d'une érosion due au bombardement par les poussières interplanétaires, d'après ces chercheurs. Cela signifie que les satellites sont composés dès l'origine de grains très fins, qui ne peuvent se former que par condensation du gaz dans la zone externe du disque de débris (et non à partir du magma présent dans la zone interne). C'est un point sur lequel s'accordent les deux études. Par ailleurs, une formation des lunes de Mars à partir de ces grains très fins pourrait être responsable d'une forte porosité interne, ce qui expliquerait leur densité étonnamment faible.

La théorie de l'impact géant, corroborée par ces deux études indépendantes, pourrait expliquer pourquoi l'hémisphère nord de Mars a une altitude plus basse que le sud : le bassin boréal est sans doute la trace d'un impact géant, comme celui qui a in fine donné naissance à Phobos et Deimos. Elle permet aussi de comprendre pourquoi Mars a deux satellites et non un seul comme notre Lune, aussi née d'un impact géant. Ce travail suggère que les systèmes de satellites formés dépendent de la vitesse de rotation de la planète, puisqu'à l'époque la Terre tournait très vite sur elle-même (en moins de quatre heures) alors que Mars tournait six fois plus lentement.

De nouvelles observations permettront bientôt d'en savoir plus sur l'âge et la composition des lunes de Mars. En effet, l'agence spatiale japonaise (JAXA) a décidé de lancer en 2022 une mission, baptisée Mars Moons Exploration (MMX), qui rapportera sur Terre en 2027 des échantillons de Phobos. L'analyse de ces échantillons pourra confirmer ou infirmer ce scénario. L'Agence spatiale européenne (ESA), en association avec l'agence spatiale russe (Roscosmos), prévoit une mission similaire en 2024.

Ces recherches ont bénéficié du soutien de l'IPGP, du Labex UnivEarthS, d'ELSI, de l'Université de Kobe, de l'Observatoire royal de Belgique et de l'Idex A*MIDEX.

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Paris, 15 juin 2016
Ondes gravitationnelles : et de deux !

Joli cadeau de Noël pour les scientifiques des collaborations LIGO et Virgo : le 26 décembre 2015, les détecteurs Advanced LIGO ont enregistré un nouveau signal d'ondes gravitationnelles, trois mois après la première détection1. Cette fois encore, le signal – une infime déformation de l'espace-temps – provient de la « valse » finale de deux trous noirs qui finissent par fusionner, un phénomène appelé coalescence. Cette deuxième observation confirme que ce type d'événements cataclysmiques est relativement fréquent et augure d'autres détections à partir de fin 2016, lorsque redémarreront, après des travaux d'amélioration, les détecteurs Advanced LIGO (aux Etats-Unis) et Advanced Virgo (en Italie). De quoi en apprendre davantage sur les couples de trous noirs, ces astres si compacts que ni lumière, ni matière ne peuvent s'en échapper. Cette découverte, réalisée par une collaboration internationale comprenant des équipes du CNRS, est annoncée le 15 juin 2016 pendant la conférence de l'American Astronomical Society, à San Diego, et fait l'objet d'une publication dans la revue Physical Review Letters.
Trois mois après l'annonce d'une première détection1, les scientifiques des collaborations LIGO et Virgo présentent une deuxième observation de la coalescence de deux trous noirs, révélée par les ondes gravitationnelles émises lors de cet événement. Bien que le signal soit plus faible que le premier, cette deuxième détection est aussi confirmée avec plus de 99,99999 %  de confiance.

Les trous noirs sont le stade ultime de l'évolution des étoiles les plus massives. Il arrive que certains évoluent en couple. Ils orbitent alors l'un autour de l'autre et se rapprochent lentement en perdant de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles, jusqu'à un point où le phénomène s'accélère brusquement ; ils finissent par fusionner en un trou noir unique. C'est ce tourbillon final qui a été observé le 26 décembre 2015, permettant de déduire que la masse des trous noirs était 8 et 14 fois celle du Soleil (contre 29 et 36 pour la première détection, du 14 septembre 2015). Comme les trous noirs étaient plus légers, leur rapprochement a été moins rapide (le signal dure environ une seconde, contre 0,2 seconde pour le précédent). Le nombre d'orbites observées avant la fusion est donc beaucoup plus important que lors de la première observation, ce qui permet de tester de manière différente et complémentaire la théorie de la relativité générale élaborée par Albert Einstein. Cet événement s'est produit à environ 1,4 milliard d'années-lumière de la Terre ; autrement dit, les ondes gravitationnelles se sont propagées dans l'espace pendant 1,4 milliard d'années avant d'être décelées par les deux détecteurs d'Advanced LIGO, situés en Louisiane et dans l'État de Washington (États-Unis).

Ce deuxième évènement confirme que les couples de trous noirs sont relativement abondants. L'analyse complète des données collectées par les détecteurs LIGO entre septembre 2015 et janvier 2016 laisse d'ailleurs penser qu'un troisième événement de ce type a pu être observé, le 12 octobre – avec cependant un degré de certitude moindre.

A terme, l'analyse de ce genre d'observations pourra permettre de comprendre l'origine des couples de trous noirs : sont-ils issus d'un couple d'étoiles ayant chacune évolué en trou noir ou un trou noir est-il capturé par l'autre ? Pour cela, il faudra un échantillon d'observations plus conséquent – ce que promettent les redémarrages d'Advanced LIGO puis d'Advanced Virgo, à l'automne 2016. En effet, comme l'a démontré la première période de prise de données des détecteurs Advanced LIGO, les ondes gravitationnelles deviennent un nouveau moyen d'explorer l'Univers et l'interaction fondamentale qu'est la gravitation.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un observatoire dédié aux ondes gravitationnelles composé de deux interféromètres identiques, situés aux Etats-Unis. La version améliorée de ces détecteurs (Advanced LIGO) a redémarré en septembre 2015. Autour de ces instruments s'est constituée la collaboration scientifique LIGO. Elle travaille main dans la main avec la collaboration Virgo, constituée autour du détecteur du même nom, installé à Pise. En effet, depuis 2007, les scientifiques des deux groupes analysent en commun les données et signent ensemble les découvertes. Advanced Virgo devrait redémarrer d'ici fin 2016. 

Autour de LIGO s'est constituée la collaboration scientifique LIGO (LIGO Scientific Collaboration, LSC), un groupe de plus de 1000 scientifiques travaillant dans des universités aux Etats-Unis et dans 14 autres pays. Au sein de la LSC, plus de 90 universités et instituts de recherche réalisent des développements technologiques pour les détecteurs et analysent les données collectées. Le réseau de détecteurs de la LSC comporte les interféromètres LIGO et le détecteur GEO600.

Les chercheurs travaillant sur Virgo sont regroupés au sein de la collaboration du même nom, comprenant plus de 250 physiciens, ingénieurs et techniciens appartenant à 19 laboratoires européens dont 6 au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, 8 à l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et 2 à Nikhef aux Pays-Bas. Les autres laboratoires sont Wigner RCP en Hongrie, le groupe POLGRAW en Pologne, et EGO (European Gravitational Observatory), près de Pise, en Italie, où est implanté l'interféromètre Virgo.

La publication scientifique des collaborations LIGO et Virgo annonçant cette observation est cosignée par 72 scientifiques de six équipes du CNRS et d'universités associées :
- le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris), à Paris ;
- le laboratoire Astrophysique relativiste, théories, expériences, métrologie, instrumentation, signaux (CNRS/Observatoire de la Côte d'Azur/Université Nice Sophia Antipolis), à Nice ;
- le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris-Sud), à Orsay ;
- le Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS/Université Savoie Mont Blanc), à Annecy-le-Vieux ;
- le Laboratoire Kastler Brossel (CNRS/UPMC/ENS/Collège de France), à Paris ;
- le Laboratoire des matériaux avancés (CNRS), à Villeurbanne.


Pour en savoir plus :
- « LIGO-Virgo : nouvelles collisions détectées », article de CNRS le Journal, 15 juin 2016
- Retour sur la première détection d'ondes gravitationnelles :
o notre dossier de presse
o « On a détecté des ondes gravitationnelles ! », article de CNRS le Journal, 11 février 2016
o « Ondes gravitationnelles: les détecteurs de l'extrême », film de CNRS le Journal, 11 février 2016
- Une sélection de photos sur Virgo, par la photothèque du CNRS.

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Deux bonnes nouvelles pour les ondes gravitationnelles

Le mercredi 15 juin 2016
Après l’annonce choc de la première détection des ondes gravitationnelles prévues par Einstein il y a 100 ans, un second signal du passage de ces déformations de l’espace-temps a été repéré et analysé. Et ce n’est pas la moindre des bonnes nouvelles concernant ce phénomène fascinant.
Le 15 juin, lors de la conférence de l’union américaine d’astronomie, qui se tient à San Diego, les portes-paroles des collaborations LIGO et Virgo ont annoncé avoir détecté le 26 décembre un second signal d’une onde gravitationnelle résultant de la fusion de deux trous noirs. Alors que le premier événement – repéré le 14 septembre – résultait de la coalescence de deux trous noirs de 29 et 36 fois la masse du Soleil, ce nouvel événement porte la signature de la fusion de deux trois noirs également, mais moins massifs : 8 et 14 fois la masse du Soleil. Cette légèreté toute relative fait que la danse finale des deux trois noirs, juste avant qu’ils ne fusionnent, a pu être observée pendant toute une seconde, contre deux dixièmes de secondes pour le premier événement baptisé GW150914. Les distances d’où émanent ces ondes sont du même ordre de grandeur : 1,4 milliard d’années-lumière (1,3 pour GW150914).

« L’intérêt de ce nouveau signal est que nous avons pu observer 28 cycles de rotation des deux astres avant la fusion finale, ce qui a permis de tester des paramètres de la relativité générale difficilement accessibles avec GW150914 », confie Benoît Mours, responsable scientifique pour le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de la collaboration Virgo, l’interféromètre européen situé près de Pise. Ce nouveau résultat confirme une fois encore les prédictions de la relativité générale. La théorie d’Einstein reste la meilleure théorie de la gravitation.

La théorie d’Einstein prévoit que l’espace-temps peut se déformer. Deux objets massifs et denses en interaction gravitationnelle, tels des trous noirs, tournent l’un autour de l’autre et finissent par fusionner. Cet événement violent crée des ondes de déformation de l’espace-temps qui se propagent. En supposant que la fusion s’est produite à un milliard d’années-lumière, la déformation, quand elle arrive sur Terre, produit une variation de longueur relative de seulement 10-21. Autrement dit le passage d’une telle onde gravitationnelle se traduit sur un objet de 4 kilomètres de long (la taille des bras des détecteurs de LIGO) par une variation de longueur plus petite que le millionième de la taille d’un atome... Le 14 septembre 2015, alors que les deux interféromètres géants de LIGO sont encore en phase de test, une alarme retentit : un signal, qui correspond à une telle modification de longueur, est enregistré dans les deux instruments distants de 3000 kilomètres. La première déformation de l’espace-temps est détectée directement, ouvrant une nouvelle ère de l’astrophysique. Cette découverte vaut rapidement aux scientifiques de la collaboration de nombreux prix, dont le Breakthrough Prize et le prix Kavli. Le prix Nobel ne devrait pas tarder…

Mais comme le montre cette deuxième découverte, l’aventure n’est pas finie. Lors de la prochaine prise de données de LIGO – prévue pour débuter en septembre et durer six mois –  et en mettant en service l’instrument Virgo vers la même période, les astronomes s’attendent à détecter plusieurs nouveaux événements. « Cette seconde détection confirme que les trous noirs fusionnent relativement fréquemment dans l’Univers. Mais avec seulement deux signaux, plus un petit signal  – moins probant – décelé le 2 octobre, il reste difficile de faire des statistiques, explique Benoît Mours. Nous espérons bien détecter d’autres fusions de trous noirs lors de la prochaine prise de données, mais aussi des fusions d’étoiles à neutrons, événements produisant de la lumière que l’on pourrait être capable d’étudier à l’aide de télescopes classiques. »
En revanche, ce que ne pourra pas faire LIGO-Virgo ni aucun des instruments que l’on construit au sol, c’est détecter des ondes gravitationnelles résultant de la fusion de trous noirs géants – un million de masse solaires ou plus –, tels ceux qui sont tapis au cœur des galaxies. En effet, la fusion de ces monstres cosmiques engendre des ondes gravitationnelles dans la bande de fréquence comprise entre 0,1 mHz et 1 Hz, mais qui sont noyées dans les signaux sismiques naturels de notre planète dont la fréquence est analogue. Seule possibilité pour s’affranchir du bruit sismique : placer un interféromètre dans l’espace. C’est l’objet du projet eLISA qui devrait aboutir à la mise en orbite, à partir de 2034, d’interféromètres géants.

Comme il s’agit de mesurer là aussi d’infimes variations de distance, il faut s’assurer que les satellites qui serviront à mesurer ces distances sont bien en chute libre. Autrement dit, qu’ils sont soumis à rien d’autre que la gravité, et en particulier que l’on peut compenser les perturbations auxquels ils sont soumis. C’est ce dernier aspect que vient de vérifier le satellite européen Lisa Pathfinder.
Mis en opération en mars 2016, Lisa Pathfinder a, après 55 jours d’opération scientifique, vérifié que l’on peut compenser les perturbations. Le système mesurant par laser la distance entre les deux cubes test en chute libre dans le satellite a été mesurée à 30 femtomètres près, soit un dix-millième de la taille d’un atome.  Au final, il permet d’évaluer  une accélération résiduelle entre les deux cubes inférieure à un demi-milliardième de millionième de la gravité terrestre. Une précision redoutable qui devrait convaincre que le concept d’eLISA, bien qu’ambitieux, est réalisable. Un succès qui pourrait inciter les agences américaines, qui avaient quitté le projet LISA il y a cinq  ans, à revenir pour participer à cette aventure excitante.

Philippe Pajot

Pour aller plus loin, sur La Recherche :
Les ondes gravitationnelles ont été détectées
L'existence des ondes gravitationnelles enfin prouvée
La mission Lisa Pathfinder a pris son envol
Les ondes gravitationnelles vues de l'espace
Une nouvelle fenêtre sur l'Univers

Photo : Lisa Pathfinder dans l'espace (vue d'artiste) © ESA - C. Carreau

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