page postée le 12 avril 2014 et modifiée le 13 février 2016
E I N S T E I N V O I T S A T H E O R I E C O N S O L I D E E
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un observatoire installé aux États-Unis (Louisiane) depuis 2002.
Cet observatoire est constitué principalement de deux tunnels perpendiculaires de quatre kilomètres de long chacun. A l’intérieur, deux faisceaux laser, parfaitement synchronisés entre eux, effectuent des dizaines d’allers-retours entre des miroirs. Puis, ces deux rayons sont recombinés à la sortie afin de vérifier leur synchronisation. Si une onde gravitationnelle secoue l’espace-temps et se propage jusque-là, elle étire un trajet lumineux avant l’autre, désynchronisant les lasers.
En fait, cette observation appelée interférométrie, porte sur les interférences intervenant entre les ondes de ces deux rayons lorsque qu'elles se rencontrent et interagissent entre elles.
Le 14 septembre 2015 LIGO détecte pour la première fois des ondes gravitationnelles. Celles-ci sont dues à la formation d'un trou noir quelque part dans l'espace. Cette détection démontre que les ondes gravitationnelles existent bien. La preuve de leurs existences consolide considérablement la théorie d'Albert EISTEIN sur la Relativité Générale (espace-temps).
Je vous explique de quoi il s'agit dans les quelques lignes qui suivent organisées en trois sections :
- ESPACE-TEMPS
- GRAVITATION
- ONDES GRAVITATIONNELLES
AVERTISSEMENT : cette page n'est pas un copié-collé d'articles trouvés sur Internet ou ailleurs (cela aurait peu d'intérêt). Seuls des documents photographiques ont été récupérés sur la toile. J'ai voulu comprendre ce que signifiait les "ondes gravitationnelles" et mon but fut alors de développer cette page pour vous expliquer le plus simplement (et très modestement) ce qu'il y a derrière ces mots. Cependant, en lisant ce qui suit vous prenez le risque de lire, peut-être, des inexactitudes (je ne suis pas un savant, vous ne l'ignoriez pas) et je vous invite à ne pas hésiter à me faire toutes les remarques ou corrections nécessaires après la lecture de cette courte page (rappel de mon adresse électronique : gilles.febvrel@gmail.com).
E S P A C E + T E M P S = E S P A C E - T E M P S
Les ondes gravitationnelles sont les mouvements (ou courbures) de l'espace-temps.
Il est donc tout d'abord indispensable de définir ce qu'on appelle l'espace-temps.
Pour comprendre le concept espace-temps, je propose de répondre aux 3 questions suivantes :
1. Qu'est-ce que l'espace ?
2. Qu'est-ce que le temps ?
3. Pourquoi l'espace et le temps sont-ils totalement dépendants l'un de l'autre ?
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1. Qu'est-ce que l'espace ?
L'espace est une étendue à trois dimensions.
Rappel :
- 0 dimension : le point
- 1 dimension : la droite
- 2 dimensions : un triangle, un rectangle, un cercle, ...
- 3 dimensions : un cube, une sphère, un cylindre, une pyramide, ...
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2. Qu'est-ce que le temps ?
(le temps est un concept qui n'est pas simple à définir)
Le temps est une dimension dans laquelle un événement peut-être rangé dans le futur, dans le présent ou dans le passé (peut-on lire généralement).
Mais on peut également dire que tout objet en mouvement se déplace non seulement dans les trois dimensions de l'espace mais, en plus, dans une dimension supplémentaire appelée TEMPS. Le mot mouvement devant être pris au sens le plus large : vieillir étant, par exemple, une forme de mouvement.
Le temps est donc également une durée sur une échelle à une seule dimension.
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3. Pourquoi l'espace et le temps sont-ils totalement dépendants l'un de l'autre ?
La réponse à cette question, c'est Albert Einstein qui la donne. La voici en quelques lignes (ci-dessous) mais surtout EN IMAGES DANS LA SECTION SUIVANTE.
Avant Einstein, l'univers était un espace en trois dimensions et le temps (celui qui s'écoule) était le même partout.
Après études et recherches, Einstein exposa en 1915 une théorie où espace et temps (l'espace-temps) ne faisaient qu'un ensemble à quatre dimensions (les trois dimensions de l'espace plus celle du temps) et où la masse des objets célestes déformaient (dilataient) cet espace-temps. Le temps n'était plus absolu mais relatif (puisqu'on l'étire par endroit). Depuis 1915, les progrès de l'observation de l'univers ont toujours conforté la théorie d'Einstein.
Si les quelques lignes que vous venez de lire vous paraissent un peu nébuleuses, c'est normal. La théorie d'Einstein sur la relativité est liée aux thèses sur la gravitation que le savant avait totalement redéfinies.
Les lignes qui suivent détaillent en images la thèse d'Einstein sur la gravitation, manifestation de la dilatation de l'espace-temps.
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L A G R A V I T A T I O N
Isaac Newton (1643-1727), qui n'associait pas espace et temps, disait ceci : << La Terre tourne autour du Soleil parce qu'elle est attirée par la force de gravité qu’exerce le Soleil. >>.
Albert Einstein (1879-1955), "père" de l'espace-temps, disait ceci : << Je ne suis pas d'accord, une telle force n'existe pas et voici mon explication ... >> (voir les photos 1 à 4 qui suivent).
Important : pour des raisons pédagogiques l'espace-temps est représenté par un QUADRILLAGE ÉLASTIQUE.
Photo 1 (ci-dessous) : toute masse (ici le Soleil) déforme la structure (quadrillage) de l'espace-temps.
La masse de l'objet céleste (comme ici le Soleil) déforme l'espace-temps (*). Plus la masse est grande, plus la déformation est prononcée.
Note (*) : la masse d'un objet céleste (ici l'étoile Soleil) déforme l'espace-temps. Par déformation il faut entendre "courbure" et même mieux que cela : "dilatation". L'espace et le temps sont dilatés et le seront d'autant plus que la masse de l'objet céleste est importante. Le temps dilaté signifie que LE TEMPS EST RALENTI par rapport à celui de moindre gravitation. EXEMPLE : un homme voyage sur un astre ayant une forte masse, en même temps un autre homme voyage sur un autre astre plus léger. Il est alors simple de comprendre que dans le premier cas la courbure de l'espace-temps est plus prononcée (dilatée) que dans le deuxième cas. Aussi le temps du voyageur qui circule sur l'astre à forte masse va retarder par rapport au temps du voyageur qui circule sur l'astre plus léger.
Photo 2 (ci-dessous) : la planète (ici la Terre) suit les déformations de l'espace-temps.
Donc, la Terre ne tourne pas autour du Soleil parce qu'elle est attirée par lui mais parce qu'elle suit la courbure de l'espace-temps provoquée par le Soleil. Le puits gravitationnel impose une trajectoire en orbite.
La gravitation est donc un effet de la courbure de l'espace et du temps (espace-temps).
Il faut également rappeler qu'il n'y a aucun frottement dans l'espace et, par conséquence, la Terre tourne sans cesse autour du Soleil sans s'en approcher et en conservant une vitesse constante. Après le Big Bang (*), dans la période de la formation de l'univers, la masse de l'étoile Soleil a creusé l'espace temps et la planète Terre a "glissé" dans le creux (le puits gravitationnel) en prenant une vitesse telle qu'elle continue à tourner sans venir approcher davantage le Soleil, ni même s'en éloigner et encore moins le percuter.
Note (*) : le Big Bang, événement fondateur de notre univers, se serait déroulé il y a 13,7 milliards d’années. Partant d'un lieu aussi petit qu'un point, une gigantesque dilatation (appelée inflation) se serait produite en faisant grossir ce point à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Aussitôt après, l'univers aurait poursuivi son expansion de manière beaucoup plus lente pour finir par être celui connu aujourd'hui par son organisation (galaxies, systèmes, etc.) et par ses astres (étoiles, planètes, etc.).
Photo 3 (ci-dessous) : la théorie de Newton fut construite sur une observation qui ressemblerait à l'ombre de ce qui se passe en réalité.
Isaac Newton fut un très grand savant mais la théorie d'Einstein a été depuis confirmée par les observations actuelles (télescope Hubble).
Photo 4 (ci-dessous) : s'il n'y avait pas de Soleil, l'espace serait peu déformé, et la Terre voyagerait en ligne droite.
Question : dans un tel cas, jusqu'où irait la Terre ?
Réponse : la Terre continuerait d'aller tout droit, infiniment, puisque l'univers n’a pas de limite, il n’y a pas "d’extérieur" à l’univers.
Avant de passer à la dernière section, il est important de noter que le choix de représenter l'espace-temps par un quadrillage élastique en deux dimensions (tel un filet de sécurité utilisé par les trapézistes dans les cirques) est purement pédagogique. Il matérialise bien le creux plus ou moins profond que fait l'astre dans l'espace-temps (dans le filet) en fonction de sa masse (gravité) sauf qu'en réalité l'espace-temps est en quatre dimensions et que le "creux" est tout autour de l'astre.
On peut aussi imaginer une boule de pétanque (le Soleil) posée sur un trampoline en faisant donc un creux, puis une bille (la Terre) lancée tangentiellement en direction du creux fait par la boule de pétanque. La bille glissera vers le creux, tournera le long du creux. Sans frottement et sans gravitation de la Terre (la vraie, pas la bille) notre bille pourrait tourner ad vitam aeternam comme la Terre autour du Soleil. Le creux dans le trampoline figurant bien la courbure (dilatation) de l'espace-temps.
Il est temps maintenant de parler des ondes gravitationnelles, objet principal de cette page.
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L E S O N D E S G R A V I T A T I O N N E L L E S
Nous avons vu sur la photo 2 que l'objet céleste Terre tournait autour de l'objet céleste Soleil sans jamais venir le rencontrer (le heurter) car ces deux astres n'ont pas la même masse.
Photo 5 (ci-dessous) : voici une autre vue de la Terre et du Soleil.
Et maintenant nous pouvons nous poser la question suivante : que se passerait-il si les deux astres avaient la même masse ? C'est ce que nous allons voir sur la photo suivante (photo 6).
Photo 6 (ci-dessous) : supposons que deux objets célestes de même masse venaient à se rencontrer. Prenons comme exemple deux étoiles à neutrons (*) dont la particularité est l'extraordinaire masse qui s'élève à un milliard de tonnes par centimètre cube.
<> Image 1 : les deux étoiles à neutrons vont tourner l'une autour de l'autre à la vitesse de la lumière.
<> Image 2 : en s'amplifiant les rotations créent des ONDES GRAVITATIONNELLES sur l'espace-temps.
<> Image 3 : les deux étoiles à neutrons se rencontrent et fusionnent.
Puis les deux astres fusionnés s'enfonceront dans un puits gravitationnel si profondément (car leurs masses sont très importantes) que bientôt plus aucune lumière n'apparaîtra. Nous sommes alors en présence d'un trou noir. En effet, un trou noir est un objet céleste si massif que sa gravité absorbera tout, y compris la lumière.
Note (*) : une étoile à neutrons est un objet céleste composé principalement de neutrons (**). Cet astre est le résidu d'une étoile massive dont le nombre des protons et des électrons de sa matière a diminué avec le temps jusqu'au moment où ils ont disparu. Il ne reste alors que les neutrons. Une telle étoile résiduelle possède une masse bien supérieure à celle, par exemple, de notre étoile Soleil et ne fait pourtant pas plus de 20 kilomètres de diamètre. Le Soleil fait un diamètre de 1 391 000 kilomètres.
Note (**) : l'atome, qui est la plus petite partie d'un corps simple, possède un noyau constitué de protons qui sont chargés positivement, d'électrons qui sont chargés négativement, et de neutrons qui sont électriquement neutres.
Les ondes gravitationnelles sont comparables à un tremblement de l'espace-temps. Ce sont des oscillations de la courbure de l'espace-temps. Elles se déplacent à la vitesse de la lumière. Elles sont difficiles à observer car leurs amplitudes sont très petites, telles de petites vaguelettes. Elles s'ajoutent aux déformations de l'espace-temps dues à la gravitation.
Photo 7 (ci-dessous) : Cette photo montre les différentes étapes de la "construction" de notre univers. Entre le Big Bang (étape 1) et notre univers tel qu'il est aujourd'hui (étape 7) il y a une étape appelée FONDS DIFFUS COSMOLOGIQUE (étape 4).
Note : les autres étapes qui figurent sur cette photo ne sont pas détaillées dans cette page car elles sortent du contexte des ondes gravitationnelles. Voici leurs intitulés : fluctuations quantiques (étape 2), inflation (étape 3), premières étoiles (étape 5) et formations des galaxies (étape 6).
Photo 8 (ci-dessous) : le fonds diffus cosmologique est la période d'un rayonnement électromagnétique intervenu au début de la création de notre univers (380 000 années après le Big Bang). Il y a donc fort longtemps, un petit peu moins de 13,7 milliards d'années. Mais comme la lumière met du temps à nous parvenir, en regardant loin nous regardons le passé (*).
Note (*) : Une année-lumière est la distance que parcourt dans le vide la lumière en une année. La vitesse de la lumière est de 300 000 kilomètres par seconde. En conséquence, en une année la lumière parcourt 10 000 milliards de kilomètres. Aussi, à titre d'exemple, si aujourd'hui se produit dans l'univers une supernova (c'est l'explosion d'une étoile avec dégagement très important de lumière avant son extinction totale) située à 2 000 années-lumière de la Terre, elle sera observable à l'oeil nu depuis le plancher des vaches en 4014 : on verra alors sa forte luminosité et son extinction alors que l'étoile n'existe déjà plus depuis longtemps (2 000 ans).
Quand les observations et conclusions sur ces ondes gravitationnelles seront totalement confirmées par d'autres détections, elles contribueront à renforcer considérablement la théorie de la Relativité Générale (espace-temps) définie par Albert EINSTEIN.
C'est donc à suivre ...
FIN (provisoire).
