Cette semaine, un résultat de physique extraordinaire a été annoncé : la première détection directe d’ondes gravitationnelles par la collaboration scientifique LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), à laquelle participe une équipe de GEO, et la collaboration Virgo, grâce à des détecteurs jumeaux situés à Livingston (Louisiane) et Hanford (Washington), aux États-Unis.
Albert Einstein avait prédit l'existence des ondes gravitationnelles dans un article publié en 1916, il y a tout juste un siècle. Elles sont la conséquence naturelle de la théorie de la relativité générale, qui décrit l’action de la gravité, théorie exposée par Einstein quelques mois avant. Jusqu’à ce jour, elles n’avaient encore jamais pu être détectées.
Les ondes gravitationnelles sont de minuscules vaguelettes dans l’espace-temps produites par des phénomènes gravitationnels violents. Cette modification fractionnelle de la géométrie de l’espace-temps pouvant être de l’ordre de seulement 10-21, voire moins, on a besoin d’instruments extrêmement sophistiqués et ultra-sensibles pour parvenir à les détecter. Récemment, la sensibilité du détecteur de LIGO a été accrue de près d’un facteur quatre, une amélioration qui s’est avérée cruciale pour l’observation rapportée.
Le désormais célèbre signal GW150914, enregistré le 14 septembre 2015, est dû à la rencontre de deux trous noirs massifs (de respectivement 30 et 40 fois la masse du Soleil), qui s’est produite à une distance d’environ 400 mégaparsecs (Mpc). Les ondes gravitationnelles se déplaçant à la vitesse de la lumière, cet événement cataclysmique s’est produit il y a plus d’un milliard d’années. Cette observation constitue une autre étape décisive dans la vérification expérimentale de la relativité générale, et ouvre la voie à une nouvelle phase d’exploration de l’Univers : l’astronomie des ondes gravitationnelles.
L’importance de ce résultat pour la physique est immense. Bien des choses que nous considérons comme allant de soi dans le monde actuel reposent sur deux piliers théoriques apparus plus ou moins à la même époque. Le premier est le principe de la relativité générale, le deuxième, la mécanique quantique. Sans la relativité générale, les systèmes de positionnement par GPS ne fonctionneraient pas ; d’un autre côté, une grande partie de l’industrie électronique est construite sur la mécanique quantique. Et pourtant, les deux théories semblent incompatibles.
Il y a quatre ans, au CERN, nous avons fini de confirmer le Modèle standard, avec la découverte du boson de Higgs, porteur du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Il s’agissait de la dernière pièce manquante du Modèle, théorie quantique qui décrit les particules fondamentales et toutes leurs interactions, à l’exception de la gravité. La découverte de cette semaine, quant à elle, ouvre la voie à une amélioration significative de notre compréhension de la gravité grâce à de futures mesures des ondes gravitationnelles. Des résultats aussi importants sont très rares, et c’est un privilège de pouvoir les vivre. Ils nous encouragent également à essayer de relever le plus grand défi de notre époque en physique : réconcilier la relativité générale et la mécanique quantique.
Félicitations donc aux collaborations LIGO et Virgo pour cette contribution exceptionnelle à la physique fondamentale !