La « matière noire » s’éclaircit …

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Je ne suis pas astrophysicien et la cosmologie n’est pas non plus un centre d’intérêt dans mes préoccupations. Je ne me suis jamais plongé dans les équations compliquées qui expliquent qu’il doit exister une matière noire dans les galaxies pour une raison qui m’échappe totalement. Sans vouloir contester les hypothèses et les théories variées expliquant pourquoi et comment l’Univers est ce qu’il est, c’est-à-dire ce qui est observable, j’ai déja été un peu interpellé par la théorie du « Big-Bang » et l’existence même d’une matière noire m’a paru invraisemblable puisque par définition on ne peut pas l’observer et par conséquent il sera toujours difficile d’en montrer la vraie nature.

Dans « notre » galaxie on sait qu’il existe en son centre un trou noir super-massif. Le centre de la galaxie se trouve dans la constellation du Sagittaire et ce trou noir s’appelle Sagittarius A* (Sag A*). Comme les trous noirs n’émettent pas de lumière car ils sont trop denses ils sont cependant détectables par les émissions intenses de rayons X depuis chacun de leurs pôles et pour les détecter encore faut-il que ces faisceaux très fins de rayons X soient orientés vers notre planète Terre. Selon les astrophysiciens de l’Université Columbia la probabilité d’observer un trou noir est faible, de l’ordre d’une observation chaques 100 ou 1000 ans. En étudiant de très près toutes les observations de Chandra, un satellite artificiel tournant autour de la Terre en 64 heures et opérationnel depuis près de 20 ans et dédié à l’observation des rayons X, ces astrophysiciens ont découvert qu’il existait autour de Sag A* une multitude d’autres trous noirs. Sag A* fut localisé par l’observatoire Chandra en 2001 et périodiquement cet appareil explore ce qui se passe autour de Sag A* dans un rayon de 4 années-lumière soit la distance entre le Soleil et l’autre étoile la plus proche de nous, Alpha du Centaure.

Selon les résultats de la compilation effectuée il existe des dizaines de milliers de trous noirs autour de Sag A* et à moins de 4 années-lumière de celui-ci. Les prévisions estiment que plus loin du centre de la Galaxie il y en aurait des centaines de milliers sinon des millions résultant de la fusion d’étoiles binaires ou de l’explosion de supernova. Que les astrophysiciens se rassurent : la fameuse matière noire existerait donc bien et elle serait constituée d’une multitude de trous noirs dont on n’a pu observer pour l’instant qu’une infinitésimale fraction …

Liens : https://en.wikipedia.org/wiki/Chandra_X_ray_Observatory

Nature, doi : 10.1038/nature2502Illustration : vue du Ciel en direction de la Constellation du Sagittaire. En ce moment la planète Mars se trouve dans la constellation du Sagittaire et Jupiter près du Scorpion.

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.

Les premières ondes gravitationnelles détectées

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Cent ans après les équations de la relativité générale écrites par Albert Einstein qui prédisaient l’existence d’ondes gravitationnelles, cette situation particulière est maintenant vérifiée. Selon Einstein, l’espace-temps peut être perturbé par un évènement gravitationnel majeur. Cet évènement cosmique a été provoqué par le flirt très rapproché entre deux trous noirs tournant l’un autour de l’autre pour finalement fusionner et relacher une gigantesque quantité d’énergie sous forme gravitationnelle puisque les trous noirs ne peuvent pas rayonner d’énergie sous forme électromagnétique. Pourtant Einstein lui-même ne croyait pas trop en l’existence des trous noirs, ces objets super-massifs qu’on ne peut pas voir puisqu’ils sont tellement denses et leur champ gravitationnel tellement intense que la lumière ne peut s’en échapper.

Il y a 50 ans des physiciens du CalTech imaginèrent un instrument susceptible de détecter ces ondes mais les complications technologiques firent que le projet faillit être abandonné à de nombreuses reprises. En bref, les ondes gravitationnelles (si elles existent) doivent perturber le cheminement de la lumière dans ce qu’on appelle un interféromètre mais pas n’importe lequel puisqu’il s’agit de deux tunnels sous vide de 4 kilomètres de long chacun. Pendant longtemps le gros souci fut de maîtriser les vibrations parasites des détecteurs qui doivent être capables de mesurer une variation infinitésimale du trajet que parcourt la lumière et du temps qu’il lui faut pour le parcourir sous l’effet d’une onde gravitationnelle, la modification de l’espace-temps prédite par Einstein. L’unité de mesure de cette variation est le diamètre du noyau d’un atome d’hydrogène !

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Entre 2002 et 2010 les détecteurs interférométriques LIGO, l’un situé dans l’Etat de Washington (Hanford) et l’autre en Louisiane (Livingston), ne mesurèrent rien du tout, ils étaient désespérément « silencieux ». Il fallut améliorer substantiellement les détecteurs d’une complexité difficile à imaginer pour un non spécialiste (comme votre serviteur) pour qu’enfin, le 14 septembre dernier, les deux interféromètres enregistrent le même signal avec un écart de 7 millisecondes. Pourquoi deux détecteurs ? Tout simplement pour éliminer tout signal fortuit. Le vrai signal doit être coïncidant entre les deux appareils LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Le signal détecté en septembre dernier, compte tenu de son amplitude laissa les astrophysiciens du monde entier plutôt sceptiques.

Il fallut plusieurs longs mois pour l’analyser et finalement confirmer que pour la première fois une onde gravitationnelle avait bien été détectée. La probabilité pour que ce signal ne soit pas fortuit est mesurée en « sigmas » : les scientifiques sont certains à 99,9999 % qu’il s’agit bien d’une onde gravitationnelle relatant la fusion de deux trous noirs quelque part dans l’Univers … puisque ces scientifiques pensent que l’évènement gravitationnel aurait eu lieu il y a 1,5 milliard d’années dans l’hypothèse où les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière, une hypothèse qui n’a pas pour le moment été infirmée puisqu’elle est conforme à la théorie de la relativité générale.

Comme il existe des dizaines de milliards de galaxies et probablement autant de trous noirs dans l’Univers, depuis quelques mois les LIGOs détectent de nombreux signaux qui sont toujours en cours d’analyse. Le Scoop d’hier n’en est pas vraiment un puisque cet évènement eut lieu il y a très longtemps mais il s’agit d’un scoop qui démontre l’ingéniosité des scientifiques et confirme le génie d’Einstein …

Source et illustrations : physics.aps.org/articles/v9/17

Note : la déformation du trajet lumineux dans l’interféromètre est exprimée en mètres soit ici mille milliardième de milliardième de mètre (10 à la puissance moins 21).