Et si l’évènement cosmique GW 190521 avait eu lieu au centre de notre Galaxie ?

Notre galaxie est centrée sur un trou noir super-massif dont la masse est estimée à au moins 1,5 million de fois celle du Soleil, notre Soleil qui apparaît alors minuscule. Autour de ce trou noir géant gravitent d’autres trous noirs ainsi que des étoiles dans un maelström infernal où il ne doit pas faire très bon vivre. Enfin les astrophysiciens considèrent que ce trou noir est entouré de ce qu’ils appellent un disque d’accrétion. Il faut 26000 ans pour que les rayonnements provenant de l’environnement de ce trou noir central nous parviennent. Nous sommes donc très loin de cet enfer. Pourtant à l’échelle cosmique nous nous trouvons dans le voisinage du centre de la galaxie. Lorsque qu’Albert Einstein décrivit la relativité générale en 1915 ses équations prédisaient l’existence d’un phénomène, paraissant absurde à l’époque, de modification de l’espace-temps par une événement énergétique extrême auquel il n’avait pas donné de nom puisque les trous noirs étaient inconnus. Un tel événement devait donc, selon sa théorie, provoquer des ondes gravitationnelles et il a fallu attendre 100 ans pour vérifier par l’observation qu’elles existaient et qu’elles étaient bien réelles. Depuis une dizaine d’années des ondes gravitationnelles sont observées à l’aide des deux interféromètres Ligo situés aux USA, couplés à l’interféromètre Virgo se trouvant en Italie.

Brièvement ces interféromètres comprennent deux galeries rectilignes perpendiculaires l’une par rapport à l’autre et de 4 km de long. Un faisceau de lumière laser monochromatique est envoyé dans l’une des galeries, en revient, est dévié vers l’autre galerie, en revient et un système instrumental va détecter des franges d’interférence si la longueur parcourue par le faisceau laser est modifiée. Normalement il ne se passe rien sinon un bruit de fond provoqué par de microscopiques tremblements de terre comme par exemple le passage d’un camion à 10 km de l’installation malgré une technologie extrêmement sophistiquée de stabilisation des miroirs. Si par hasard la distance parcourue par le faisceau de lumière est modifiée alors apparaissent des interférences. C’est sur ce principe que ces équipement peuvent détecter des ondes gravitationnelles puisque selon la théorie d’Einstein elles déforment l’espace-temps et donc la longueur du parcours du faisceau lumineux. Il ne faut pas s’attendre à quoi que ce soit de spectaculaire, tout dépend de quoi on parle. En effet, il suffit d’une modification de la longueur de 4 km d’un des bras de l’interféromètre égale au diamètre du noyau d’un atome d’hydrogène pour que des interférences soient observées, j’y reviendrai.

L’objet de ce récit est d’imaginer que l’évènement GW 190521 observé le 21 mai 2019 a eu lieu au centre de notre galaxie et quels en seraient les effets sur la Terre. Cet événement a été très bien décrit et toutes les données sont accessibles sur ce lien : https://en.wikipedia.org/wiki/GW190521 . Il s’est agi de la fusion de 2 trous noirs, l’un de 85 masses solaires et l’autre de 66 masses solaires. Le résultat de la fusion a donné naissance à un trou noir de 142 masses solaires. Par conséquent une énergie équivalente à 9 masses solaires a été dissipée dans l’espace provoquant une onde gravitationnelle qui s’est propagée dans les trois dimensions de l’espace à la vitesse de la lumière en déformant ce dernier et la déformation des bras des interféromètres se trouvant sur la Terre, provoquée par cette onde gravitationnelle a atteint la longueur équivalente au diamètre du noyau d’un atome d’hydrogène, soit 0,8×10-15 mètre ! L’évènement a eu lieu à une distance de 5,3 Gpc, comprenez Giga-parsec ou 5,3 milliards de fois 3,26 années-lumière ou encore 5×1026 mètres de la Terre, difficile à imaginer j’en conviens. Non pas pour embrouiller les esprits mais présenter toutes les données relatives à cet événement cosmologique l’énergie dissipée, conformément à l’équation bien connue d’Einstein E=mc2 où m est la masse dissipée, ici 9 masses solaires exprimée en kg, et c la vitesse de la lumière exprimée en mètres par seconde, alors on trouve 160×1040 Joules, ça ne vous dit encore rien mais c’est l’énergie équivalente à 2850 milliards de milliards de fois toute l’énergie produite sur la Terre par l’activité humaine en un an (2017). Et si vous n’avez pas de référence pour situer ce qu’est un Joule c’est l’énergie qu’il faut déployer pour lancer une tomate de 100 grammes à un mètre de hauteur pour annuler brièvement la gravité de la Terre s’exerçant sur la tomate (source Wikipedia).

Supposons que l’évènement GW 190521 n’ait pas eu lieu aux confins de l’Univers mais au centre de notre galaxie, c’est-à-dire pour reprendre les unités astronomiques de distance utilisées plus haut à une distance de près de 8×10– 6 Gpc, mais oui, on se trouve tout près du centre de notre galaxie ! Alors les choses n’auraient pas du tout eu lieu de la même façon. Il faut, pour se faire une petite idée de l’éventuel cataclysme que provoquerait cet événement, considérer que l’énergie se dissipe dans toutes les directions de l’espace afin de se faire une idée de la déformation de l’espace-temps au niveau des interféromètres utilisés, les deux LIGO et Virgo. Les longueurs de 4 kilomètres auraient été déformées de 0,3 microns. Les tunnels auraient certainement résisté mais toutes les installations de mesure auraient été endommagées puisqu’elles ne sont pas conçues pour supporter un tel déplacement !

Vous devez vous demander pourquoi je suis arrivé à un résultat aussi minable et pour quelle raison il me paraissait intéressant d’écrire un billet à ce sujet. À l’échelle de l’Océan Atlantique, partant du principe que le fond de l’océan est homogène et stable, ce qui n’est pas tout à fait le cas, les côtes nord-américaine et africaine s’éloignent de 4 à 6 mm par an. Si l’évènement GW 190521 avait eu lieu dans le centre de notre galaxie il y a 30000 ans en quelques secondes ces côtes atlantiques s’éloigneraient de 0,45 mm, soit près d’un demi-centimètre. J’ai beaucoup de peine à imaginer quels seraient les effets d’un tel déplacement, c’est-à-dire rien du tout. Lors du grand tremblement de terre du 11 mars 2011, l’énergie accumulée par l’expansion du plancher de l’Océan Pacifique a été dissipée en quelques dizaines de secondes dans une zone très proche des côtes de l’île de Honshu et à 60 kilomètres de profondeur. À Tokyo ma petite-fille n’avait que 3 ans et elle ne s’en souvient plus mais elle a gardé une peur panique des tremblements de terre. Cette libération d’énergie a tout de même provoqué un déplacement de l’ensemble de l’île de Honshu d’environ 7 centimètres vers le nord-ouest sans provoquer de tsunami dans la mer du Japon. Peut-être qu’un événement tel que le GW 190521 mille voire un million de fois plus puissant au centre de notre galaxie aurait un effet sur la croute terrestre, ce qui a pu arriver dans un lointain passé, nul ne le sait, mais les observations réalisées avec les deux LIGO et le Virgo ont montré qu’il s’agissait d’un phénomène transitoire, tout redevenant normal quelques millisecondes plus tard. Finalement les ondes gravitationnelles et la gravitation elle-même ne peuvent être comprises que par des spécialistes, ce dont je ne suis pas du tout.

Note. J’ai soumis la première version de ce billet avant correction à Monsieur Thibault Damour (IHES), le meilleur spécialiste français des trous noirs, qui a eu l’amabilité de me répondre très rapidement, ce qui m’a conduit à corriger une grossière erreur de calcul qui m’avait échappé. Il est vivement remercié ici pour sa collaboration au sujet de ce modeste billet.

Les ondes gravitationnelles : une gigantesque bouffée d’énergie

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En février 2016, après 5 mois de vérifications méticuleuses, l’observatoire LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) annonça pour la première fois la détection d’ondes gravitationnelles dont l’existence avait été prédite par la théorie de la relativité générale formulée par Albert Einstein il y a maintenant près d’un siècle. Un deuxième train d’ondes fut détecté le jour de Noël 2015 puis plus rien jusqu’au 4 janvier 2017. Cette fois c’est certain les ondes gravitationnelles existent bien et ce n’est pas une vue de l’esprit. En effet, comme pour toute expérience scientifique, répéter cette dernière et obtenir le même résultat peut encore être l’effet du hasard mais si elle est vérifiée une troisième fois alors il n’y a plus de doute possible.

Pour cette dernière détection d’un évènement cataclysmique d’une ampleur difficile à imaginer la puissance de calcul du signal a permis de confirmer qu’il s’agissait de la collision entre deux trous noirs massifs de 31 et 19 fois la masse du Soleil respectivement situés à plus de 3 milliards d’années-lumière de notre Galaxie, collision suivie de leur fusion. Les signaux obtenus tant à Hansford qu’à Livingston ont montré que les deux trous noirs tournaient autour d’eux-mêmes en sens opposé. Et lors de leur collision une énergie équivalente à deux fois la masse du Soleil a été dissipée dans l’espace selon la célébrissime équation d’Einstein : E = m x c2 ! Il s’agit donc bien d’un évènement d’une puissance difficile à imaginer qui a pu être détecté 3 milliards d’années plus tard. Il a duré un dixième de seconde et en kWh l’énergie dissipée fut de 130 suivies de 38 zéros kWh.

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Source : Physical Review Letters, doi : 10.1103/PhysRevLett.118.221101

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Petite note explicative de l’illustration. Imaginons que les ondes gravitationnelles soient un son perceptible par notre oreille. Un son se définit par sa fréquence – plus celle-ci est élevée plus le son est aigu – et son amplitude qui est d’autant plus élevée que le son est « fort ». Dans l’illustration tirée de l’article paru dans les PRL l’amplitude est matérialisée par une couleur allant du noir au jaune clair et la répartition de cette amplitude est représentée en fonction de la fréquence exprimée en hertz (Hz) pour les deux installations LIGO en fonction du temps. Il faut noter que le phénomène est extrêmement rapide puisqu’il ne dure qu’un dixième de seconde. La reconstruction par le calcul du signal fait apparaître un « bruit » de plus en plus aigu qui disparaît subitement … quand les deux trous noirs ont fusionné. L’univers tout entier a alors été inondé par une gigantesque décharge d’énergie, deux fois la masse du Soleil disparaissant en quelques centièmes de seconde selon l’équation d’Einstein d’équivalence entre masse et énergie … Je rappelle ici à mes lecteurs qu’il faut rendre à César ce qui est à César : c’est le mathématicien français Henri Poincaré qui le premier introduisit le concept d’ondes gravitationnelles et l’équivalence matière-énergie formulée par Einstein en 1904. Poincaré était prisonnier du paradoxe de l’ « éther », une fiction immatérielle formulée par Hendrick Lorentz en 1895 dont Einstein nia l’existence en écrivant les équations de la relativité restreinte quelques mois plus tard en 1905. Jamais Poincaré ne put s’affranchir de l’existence de l’ « éther » et la preuve expérimentale des ondes gravitationnelles plus d’un siècle plus tard est une ultime démonstration de la non-existence de l’éther. Cet évènement cosmique détecté par le LIGO a relaché dans l’univers tout entier une énergie de 360.1045 joules ou encore 130.1038 kWh en un dixième de seconde.