Sans surprise le jury Nobel a accordé son prestigieux prix de physique, mardi 3 octobre, à l’une des plus belles découvertes de ces dernières années : la détection d’ondes gravitationnelles sur Terre. Les Américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne, responsables de l’expérience LIGO, ont été primés.

Ces ondes sont analogues aux ondulations de la surface de l’eau causée par la chute d’un caillou. Sauf que le « caillou » est ici une quantité colossale d’énergie équivalente à plusieurs fois la masse du Soleil et qu’il a été « lancé » par deux trous noirs géants valsant l’un autour de l’autre avant de fusionner ensemble en un nouveau trou noir plus petit, à environ un milliard d’années-lumière de la Terre.

Quant à la surface de l’eau, c’est l’espace-temps dans lequel nous vivons. Le faire onduler revient à dilater ou contracter les longueurs très faiblement, de l’équivalent d’un millième du diamètre d’un proton.

Les physiciens ont mis des dizaines d’années, depuis les années 1970, à construire les instruments capables de repérer ces infimes déplacements. Aux États-Unis, deux détecteurs ont été construits à Hanford (Etat de Washington) et Livingston (Louisiane), à 3 000 kilomètres l’un de l’autre, pour constituer l’expérience LIGO.

En Europe, près de Pise, Virgo est son homologue, un peu plus petit, avec deux « bras » de trois kilomètres de long parcourus par des lasers, au lieu de quatre kilomètres pour LIGO.

Le jury Nobel vient de récompenser les pionniers américains de LIGO : Barry Barish, Kip Thorne, tous deux professeurs à Caltech (California Institute of Technology) et Rainer Weiss, professeur émérite au MIT, lequel se voit attribuer la moitié du prix de 9 millions de couronnes suédoises (950 000 euros pour les trois récipiendaires).

Lire notre entretien avec Barry Barish : « Comme Galilée regardant dans sa lunette, c’est une nouvelle percée en astronomie »

Cette liste laissera un goût amer aux Européens, comme par exemple leurs homologues, les Français Alain Brillet et Thibault Damour et l’Italien Adalberto Giazotto. C’est que malgré un accord de partage de données et de cosignature des articles scientifiques, LIGO a été le premier à détecter une onde gravitationnelle. Le 14 septembre 2015, à 7 millisecondes d’intervalle, les bras géants des instruments jumeaux à Hanford et Livingston ont vibré. Virgo n’a rien vu car à l’époque, sa deuxième phase était encore en chantier. Il ne connaîtra ses premiers tremblements que le 14 août 2017, permettant néanmoins de pointer avec une plus grande précision dans le ciel l’origine de la coalescence de deux trous noirs. Dans l’intervalle LIGO avait découvert deux ondes gravitationnelles de plus. Le jury Nobel a cependant reconnu cette participation européenne en désignant les lauréats comme « membre de la collaboration LIGO/Virgo » et non par leur origine académique.

Article réservé à nos abonnés Lire aussi Alain Brillet et Thibault Damour, un duo cosmique médaillé par le CNRS

Rainer Weiss, 85 ans, est incontestablement le pionnier du sujet. À la fin des années 1960, il se lance dans l’aventure de cette détection insensée d’un phénomène prévu par la Relativité générale d’Einstein. À l’époque, un physicien américain, Joseph Weber, a même prétendu avoir observé des ondes gravitationnelles, mais il est vite démenti.

Lire aussi Les ondes gravitationnelles détectées un siècle après avoir été prédites

Weiss collabore avec des Allemands et met notamment le pied à l’étrier au Français Alain Brillet, spécialiste de métrologie avec des lasers, lors d’un passage de ce dernier au MIT au début des années 1980. Il est très vite aussi en concurrence avec un autre groupe américain, mené, à Caltech, par l’Écossais Ronald Drever (disparu en mars 2017 à 85 ans). Ils joindront finalement leur force grâce à Kip Thorne, pour défendre un instrument commun, le futur LIGO, auprès de la National Science Foundation, l’agence civile de moyens pour la recherche.

Principe de détection des ondes gravitationnelles.

Mais le projet traîne et la NSF met fin au trio Weiss, Drever et Thorne. Arrive alors le troisième mousquetaire Nobel, Barry Barish. Celui-ci, physicien des particules, remet le chantier sur les rails en six mois. Il restera à la tête de LIGO jusqu’en 2005 et, comme Rainer Weiss, Ron Drever ou Kip Thorne, sera signataire de l’article paru en février 2016 décrivant dans Physical Review Letters la première onde gravitationnelle détectée, engendrée par la fusion de deux trous noirs.

Les ondes gravitationnelles, une déformation de l’espace-temps.

Kip Thorne (77 ans) est lui un physicien théoricien, professeur à Caltech, spécialiste de relativité générale. Comme son confrère Thibault Damour, il a étudié les signatures que devraient laisser des trous noirs se réunissant en un seul trou noir et que Ligo ou Virgo devraient voir. Il a aussi étudié les trous de vers, sorte de raccourci cosmique entre deux régions de l’espace-temps, et qui sont mathématiquement possibles mais difficiles à imaginer en pratique. Cette imagination l’a cependant intronisé consultant sur le film de science-fiction de Christopher Nolan, Interstellar (2014). Il a également fait des paris scientifiques avec ou contre Stephen Hawking, sur la nature des trous noirs.

Depuis la fin août, LIGO et Virgo, qui ont ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers, sont arrêtés pour un an environ afin d’augmenter leur sensibilité.

Ondes gravitationnelles: un siècle de traque 1915: Albert Einstein publie les éléments de sa théorie de la relativité générale, qui prédit des effets absents de la théorie newtonienne de la gravitation, concernant notamment des déformations de l’espace-temps induite par la masse des objets. 1916: Einstein prédit l’existence d’ondes gravitationnelles. 20 mai 1919: Lors d’une éclipse de Soleil, l’astronome Arthur Eddington observe que les rayons lumineux provenant d’un amas stellaire sont bien déviés par la masse du Soleil - confirmant les travaux d’Einstein. 1969: Joseph Weber (Université du Maryland) annonce avoir détecté des ondes gravitationnelles, mais la découverte ne sera jamais confirmée. 1974: découverte d’un couple d’étoile à neutrons par Russel Hulse et Joseph Taylor, dont ils attribuent le ralentissement de la rotation à une perte d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles. Cette preuve indirecte de leur existence leur vaudra le prix Nobel en 1993. 1990: les Etats-Unis approuvent la construction d’un détecteur, LIGO, inauguré en 1999. Une version rénovée a été remise en service en septembre 2015. 1993: la France et l’Italie décident la construction près de Pise d’un détecteur baptisé Virgo. En service entre 2007 et 2011, il a redémarré sous une forme améliorée en 2016. 2014: le télescope BICEP2 pense avoir détecté des ondes gravitationnelles en observant la polarisation du fond diffus cosmologique. Une nouvelle analyse suggère qu’il s’agit d’un artefact dû à des poussière galactiques. 14 septembre 2015: observation par LIGO de la fusion de deux trous noirs situés à un milliard d’années-lumière. 11 février 2016: annonce de la découverte par la collaboration Virgo-LIGO dans Physical Review Letters. 26 décembre 2015: Un nouveau signal est détecté par Ligo. Il sera annoncé le 15 juin 2016 et a été engendré par la fusion de deux trous noirs. 4 janvier 2017: Ligo capte à nouveau le passage d’ondes liées à une fusion de trous noirs, qui sera décrit le 1er juin dans Physical Review Letters. 14 août: Nouvelle fusion de trous noirs, cette fois captée par le couple de détecteurs américains Ligo et l’instrument européen Virgo. Cette détection est annoncée le 27 septembre. 3 octobre: le Nobel de physique 2017 est attribué aux instigateurs du détecteur LIGO, pour moitié à l’Américain Rainer Weiss et à ses compatriotes Kip Thorne et Barry Barish, qui se partagent l’autre moitié des 950 000 euros du prix.