En vidéo : découvrez eLisa, la future mission d'astronomie gravitationnelle. Par Laurent Sacco

En vidéo : découvrez eLisa, la future mission d'astronomie gravitationnelle

Comment sont nés et ont évolué les trous noirs supermassifs au centre des galaxies ? D'ailleurs, s'agit-il bien des trous noirs prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein ? L'Esa a confirmé qu'elle entendait répondre à ces questions et à d'autres du ressort de l'astronomie gravitationnelle avec la mission eLisa (evolved Laser Interferometer Space Antenna). Plusieurs vidéos pédagogiques permettent de mieux faire connaissance avec les principes de cette nouvelle astronomie, et bien sûr avec eLisa.

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Lorsque deux trous noirs massifs entrent en collision puis fusionnent, l'événement fait vibrer l'horizon du trou noir résultant à la façon d'une membrane avec ces modes. Pour retourner à son état d'équilibre le trou noir rayonne alors sous forme d'ondes gravitationnelles avec des fréquences très basses. La mission eLisa, que l'on voit ici avec ses trois satellites connectés par des rayons laser, devrait pouvoir observer et mesurer ce phénomène à partir de 2034.

L’Esa a récemment confirmé que l’un de ses deux thèmes majeurs d’étude pour les deux prochaines décennies était bien l’astronomie gravitationnelle depuis l’espace avec la mission eLisa (evolved Laser Interferometer Space Antenna). Jadis, la Nasa était partie prenante de cette extraordinaire aventure destinée à ouvrir une nouvelle fenêtre d’observation sur les trous noirs supermassifs, et peut-être le Big Bang lui-même. Depuis son retrait en 2011, c’est l’Esa seule qui continue à financer la mission Lisa, devenue depuis eLisa.

Il est prévu de tester la technologie nécessaire avec Lisa Pathfinder, qui sera lancée par une fusée Vega de l’Esa en 2015 si tout va bien. Mais les trois satellites équipés de lasers d'eLisa ne s’élanceront pas vers les étoiles avant 2034. On n’ose imaginer ce que doivent ressentir les pionniers des années 1990 de la mission Lisa, tel Kip Thorne, qui était autrefois prévue à l’horizon des années 2010.



Courte présentation de la mission eLisa, anciennement appelée Lisa. Il s'agit d'étudier les émissions d'ondes gravitationnelles produites par des systèmes binaires comme celui formé par une naine blanche accrétant de la matière, le Big Bang lui-même et surtout les trous noirs. Pour plus de détails sur le fonctionnement d'eLisa, visionnez l'épisode 3 de Gravity Ink. ci-dessous.


L'espace-temps, un tissu élastique qui peut vibrer


Comme le rappelle la vidéo ci-dessous, c’est Albert Einstein qui a découvert que la gravitation de Newton était une conséquence de la courbure de l’espace-temps en présence de distributions d’énergie et d’impulsion. On peut se représenter le phénomène avec une surface élastique capable de se déformer et de vibrer comme la membrane d’un tambour. Dès 1917, Einstein en avait conclu qu’il devait exister l’analogue des ondes électromagnétiques dans le « tissu élastique » de l’espace-temps : des ondes gravitationnelles. Comme il n’existe pas d’équivalent des charges positives et négatives avec la théorie d’Einstein, les ondes gravitationnelles ne peuvent pas être écrantées comme des ondes électromagnétiques. Elles sont donc très pénétrantes et peuvent servir à sonder bien des phénomènes faisant intervenir des objets astrophysiques très denses, comme les étoiles à neutrons, et même cosmologiques, quand l'univers lui-même était opaque aux ondes lumineuses.



Introduction à la relativité générale d'Einstein dans le premier épisode de Gravity Ink. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ».

On sait que les ondes gravitationnelles existent, mais nous n’avons que des preuves indirectes. On tente depuis des années de les détecter sur Terre avec des interféromètres à laser comme Ligo et Virgo. Le principe de ces détecteurs est simple à comprendre, bien que difficile à mettre en œuvre. Lorsque des ondes gravitationnelles se propagent, elles font varier les distances entre les objets en étirant et compressant l’espace. Cet effet est très faible à grande distance de sources d’ondes gravitationnelles, comme un trou noir nouvellement formé en train de vibrer. Mais si l’on réalise une expérience d’interférométrie avec des lasers voyageant sur de grandes distances, on peut mettre en évidence les vibrations de l’espace en réponse à la présence d’une onde gravitationnelle.

L'astronomie gravitationnelle et eLisa

Ligo et Virgo n’ont pour le moment rien détecté, mais on sait que pour avoir plus de chances de réussir à observer ces ondes gravitationnelles il faut s’affranchir du bruit de fond terrestre constitué des ondes sismiques, ainsi que des variations du champ gravitationnel. C’est pourquoi eLisa consistera à réaliser un interféromètre avec trois satellites formant un triangle d’un million de kilomètres de côté et échangeant entre eux des faisceaux laser (pour plus de détails sur le fonctionnement d'eLisa, visionnez l'épisode 3 de Gravity Ink. ci-dessous).



Une vidéo d'introduction à l'astronomie gravitationnelle, l'épisode 2 de Gravity Ink. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Pour obtenir des sous-titres en français, suivre la procédure décrite dans la légende la vidéo précédente.

La bande de fréquences où s’effectueront les observations avec eLisa est comprise entre 0,1 mHz et 100 mHz. Selon les astrophysiciens, c’est une fenêtre d’observation très prometteuse pour l’astronomie gravitationnelle. Elle devrait permettre de recenser les systèmes binaires avec des astres compacts dans la Voie lactée. Il peut s’agir de système contenant des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs. On sait que ce sont des émetteurs d’ondes gravitationnelles, puisque c’est avec le pulsar binaire PSR B1913+16, ou « pulsar de Hulse et Taylor », découvert en 1974 au radiotélescope d'Arecibo par Joseph Taylor et Russell Hulse, que l’on a démontré indirectement l’existence de ces ondes.

Son étude a mis en évidence une accélération de la période orbitale du système, signe que les deux corps voyaient leur orbite se resserrer en raison de la perte d'énergie entraînée par l'émission de rayonnement gravitationnel. On attend du recensement de ces systèmes binaires qu’ils nous aident à préciser la nature des supernovae SN Ia et des sursauts gamma.



L'épisode 3 de Gravity Ink. explique la technique de détection des ondes gravitationnelles par interférométrie laser avec Liso, Virgo et surtout eLisa (voir plus haut pour obtenir une traduction).

De l'origine des trous noirs supermassifs à la physique du Big Bang

Ce qui est probablement le cœur de la mission eLisa concerne les trous noirs. Dans le cadre de la relativité générale classique, ce sont des objets bien connus définis par l’existence d’un horizon des événements. On pourra consulter l’impressionnante monographie de Chandrasekhar à ce sujet, The mathematical theory of black holes, pour s’en convaincre. Ce sont presque les seuls objets astrophysiques connus qui permettraient de tester les équations de la relativité générale d’Einstein en régime de champ particulièrement intense, par exemple à l’occasion de la collision de deux trous noirs. En analysant les ondes gravitationnelles produites par une telle collision, on espère en particulier démontrer de façon incontestable l’existence d’un horizon des événements et vérifier que la métrique de Kerr décrit bien les trous noirs en rotation. Enfin, eLisa devrait pouvoir nous fournir des indications précieuses concernant l’origine des trous noirs supermassifs. Quelles pouvaient être leurs graines, alors que l’univers était tout juste en train de sortir des âges sombres ? Ces trous noirs ont-ils évolué principalement à la suite des fusions entre les premières galaxies en coalesçant à leur tour ? Autant de questions pour lesquelles nous n’avons pas encore de réponses nettes.

Enfin, du fait du caractère très pénétrant des ondes gravitationnelles, elles pouvaient se propager dans l’univers observable à une époque bien antérieure à celle de la recombinaison, lorsque le rayonnement fossile a été émis. Un fond d’ondes gravitationnelles cosmologiques doit exister et nous renseigner plus directement sur les événements dans l’univers entre 10^-18 et 10^-10 seconde après le Big Bang. Plus généralement, on peut aussi espérer trouver des signes d’une nouvelle physique, vérifier si les ondes gravitationnelles se propagent bien à la vitesse de la lumière et même tester l’hypothèse d’une masse non nulle pour le graviton. Malheureusement, dans le meilleur des cas, il va falloir patienter jusqu’à la seconde moitié des années 2030.

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