Les ondes gravitationnelles - les ondulations invisibles dans le tissu spatial prédites par Albert Einstein - ouvrent une nouvelle ère de l'astronomie qui permet aux scientifiques de voir des parties de l'univers autrefois considérées comme invisibles, comme les trous noirs, matière noire et des particules subatomiques théoriques appelées axions.

Près de 100 ans après qu'Einstein ait prédit leur existence dans le cadre de sa théorie de la relativité générale, les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois en 2015 par des scientifiques travaillant sur le Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory (LIGO), ce qui leur a valu le prix Nobel de physique.

Les faibles perturbations captées par l'instrument géant ont été créées par deux trous noirs qui se sont écrasés à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre. Lorsque ces deux objets super-lourds sont entrés en collision, ils ont déformé l'espace et le temps.

"La déformation se propage comme des ondulations sur un lac, " a expliqué le professeur Paolo Pani, un physicien théoricien à l'Université Sapienza de Rome, Italie. "Ce sont des ondes gravitationnelles."

Tous les objets avec une masse créeront leur propre léger creux dans le tissu de l'espace-temps, créant ce que nous appelons la gravité. Mais seuls les événements cataclysmiques impliquant les objets les plus lourds, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons, peut créer des ondes gravitationnelles suffisamment grosses pour être détectées sur Terre. Ils rayonnent à travers l'univers à la vitesse de la lumière, traversant presque tout sur leur passage.

Mais la capacité de détecter ces ondes offre également aux astronomes de nouvelles façons de regarder l'univers. Le professeur Pani dirige le projet DarkGRA dans le but d'utiliser les ondes gravitationnelles pour sonder certains des plus grands mystères de l'univers, y compris les étoiles exotiques lourdes, la matière noire et les trous noirs eux-mêmes.

Auparavant, les astrophysiciens étaient obligés de déduire la présence de trous noirs en examinant le comportement du matériau qui les entoure. Considéré comme les restes super-lourds d'étoiles effondrées, la gravité qu'ils produisent est si grande que même la lumière ne s'en échappe pas. Tout ce qui dépasse la limite d'un trou noir, connu sous le nom d'horizon des événements, y reste.

"C'est pourquoi nous ne pouvons pas voir les trous noirs, " a déclaré le professeur Pani. "Au lieu de cela, nous voyons une absence de lumière de leur part. Les trous noirs sont encore un grand mystère."

Ondes gravitationnelles, cependant, permettent à des scientifiques comme le professeur Pani de les visualiser directement. "Ils sont en quelque sorte un messager de l'espace-temps autour de ces objets, sans utiliser d'intermédiaire, " il a dit.

En étudiant les caractéristiques de ces ondes, il est possible d'obtenir des informations sur la masse, rotation, rayon et la vitesse de ces objets auparavant invisibles. "Le but de notre projet est de comprendre les observations d'ondes gravitationnelles à partir d'objets très compacts, afin que nous puissions exclure ou confirmer d'autres types d'objets, " a déclaré le professeur Pani.

Selon la relativité générale, la fusion de deux objets très compacts – comme les naines blanches, étoiles à neutrons ou trous noirs – provoqueront l'effondrement de l'objet final pour former un trou noir. Mais il existe des théories alternatives qui prédisent qu'ils pourraient également former des objets d'une masse et d'un rayon similaires aux trous noirs, mais sans horizon des événements. Ces mystérieux objets compacts auraient donc une surface qui réfléchirait les ondes gravitationnelles.

« S'il y a une surface, après une fusion des objets, il devrait y avoir des échos d'ondes gravitationnelles, donc un signal réfléchi par la surface, " a expliqué le professeur Pani. Il devrait être possible de détecter ces échos dans les signaux captés ici sur Terre.

Matière noire

Il y a une autre explication, cependant, cela conduirait à des trous noirs produisant de manière inattendue des échos ou d'autres caractéristiques d'ondes gravitationnelles inexpliquées - ils pourraient être assis dans un bain de matière noire, une forme hypothétique de matière qui n'a pas encore été vue mais qui représenterait 85 % de toute la matière de l'univers. Cela aussi pourrait produire une onde gravitationnelle distinctive.

"La matière noire interagit très peu avec quoi que ce soit d'autre, est donc très difficile à tester en laboratoire, ", a déclaré le professeur Pani. Mais en recherchant des signaux distincts dans les ondes gravitationnelles, cela pourrait permettre aux scientifiques de les "voir" pour la première fois.

Certaines observations gravitationnelles ne peuvent s'expliquer soit par la présence de matière noire, que l'on ne voit pas, ou en changeant nos lois de la gravité. Professeur Ulrich Sperhake, un physicien théoricien à l'Université de Cambridge, ROYAUME-UNI, et scientifique principal du projet StronGrHEP, décrit les ondes gravitationnelles comme une « nouvelle fenêtre sur l'univers » qui pourrait nous aider à percer ces mystères.

S'il y a toute cette matière noire qui traîne autour de deux trous noirs lorsqu'ils fusionnent, alors cela absorberait de l'énergie.

Cela signifierait que dans une collision de trou noir comme celle détectée par LIGO, les ondes gravitationnelles seraient un peu différentes de ce qu'elles seraient sans la matière noire.

Un casse-tête d'observation sur lequel ils pourraient faire la lumière est de savoir pourquoi les galaxies tournent plus vite que leur taille ne le suggère. "La vitesse de rotation est liée à la masse qui est à l'intérieur, " a déclaré le professeur Sperhake. Donc, si une galaxie tourne plus vite que la masse que nous pouvons voir, il y a deux explications possibles :soit nous devons modifier nos théories fondamentales sur le fonctionnement de la gravité, soit il y a de la matière noire dans les galaxies que nous ne pouvons pas voir.

Une idée que le professeur Sperhake étudie est d'étendre la relativité générale d'Einstein avec une nouvelle théorie, appelée gravité tensorielle scalaire. Cela suggère que l'univers est rempli d'un champ supplémentaire - similaire à un champ magnétique ou électrique - qui n'a pas encore été détecté.

Cela signifierait que l'explosion de la supernova d'une étoile mourante ne serait pas seulement visible comme une explosion d'ondes gravitationnelles, mais il y aurait une rémanence d'ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter. Nous pourrions diriger LIGO vers des régions du ciel où des étoiles ont explosé - connues sous le nom de supernovae - pour essayer de détecter une telle rémanence du champ scalaire qui peut persister des siècles après l'explosion réelle.

Séparément, Le professeur Sperhake cherche à savoir si la matière noire pourrait être expliquée par des particules subatomiques théoriques appelées axions. Il essaie de modéliser à quoi pourraient ressembler les échos des ondes gravitationnelles des trous noirs si ces particules sont présentes.

"Je dirais que les axions sont l'un des meilleurs candidats pour la matière noire, ", a-t-il déclaré. La prochaine étape consiste à appliquer ses modèles aux données que LIGO collecte pour voir si la théorie et l'observation correspondent.

Belle théorie

Le Dr Richard Brito a rejoint le groupe du professeur Pani en Italie plus tôt cette année dans le cadre de son propre projet, FunGraW d'utiliser des ondes gravitationnelles pour tester l'existence de particules d'axions. Mais il les utilisera également pour tester la théorie d'Einstein elle-même et déterminer si elle peut être incorrecte à grande échelle.

"Si nous voyons des objets presque aussi compacts que des trous noirs mais sans horizon des événements, cela signifie que la relativité générale est fausse à ces échelles, " il a dit.

Cela pourrait avoir des implications quotidiennes importantes. La théorie de la relativité générale est cruciale pour le fonctionnement quotidien du GPS par exemple. But finding that Einstein's theory breaks down at large scales does not mean it should be thrown out. Plutôt, an addendum might be needed.

"You'd have a hard time matching the mathematical clarity of Einstein's theory, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."