On a découvert que les ondes gravitationnelles créées par les trous noirs ou les étoiles à neutrons dans les profondeurs de l'espace atteignent la Terre. leurs effets, cependant, sont si petites qu'elles ne peuvent être observées qu'à l'aide d'installations de mesure d'un kilomètre de long. Les physiciens se demandent donc si les condensats ultrafroids et minuscules de Bose-Einstein avec leurs propriétés quantiques ordonnées pourraient également détecter ces ondes. Le professeur Ralf Schützhold du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de la TU Dresden a étudié la base de ces suggestions et écrit dans la revue Examen physique D que de telles preuves sont bien au-delà de la portée des méthodes actuelles.

Dès 1916, Albert Einstein a soumis un article à l'Académie des sciences de Prusse dans lequel il a démontré que des masses en mouvement telles que des étoiles géantes en orbite laissent derrière elles une brèche dans l'espace et le temps, qui se propage à la vitesse de la lumière. Ces bosses sont appelées ondes gravitationnelles, et devrait se déplacer précisément comme les ondes radio, lumière et autres ondes électromagnétiques. Les effets des ondes gravitationnelles, cependant, sont normalement si faibles qu'Einstein était convaincu qu'ils ne pourraient jamais être mesurés.

La raison de ce scepticisme est que les ondes gravitationnelles sont faibles. Par exemple, même la masse assez importante de la Terre, qui orbite autour du soleil à près de 30 kilomètres par seconde, produit des ondes gravitationnelles d'une puissance de seulement trois cents watts. Ce ne serait même pas suffisant pour alimenter un aspirateur commercial avec une étiquette Energy Star. L'influence de ces ondes gravitationnelles est donc imperceptible.

Quand les trous noirs fusionnent

La situation s'améliore lorsque des masses considérablement plus importantes sont impliquées. Lorsque deux énormes trous noirs ont fusionné à une distance de 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre, dont l'un possédait la masse d'environ 36 soleils et l'autre une masse de 29 soleils, l'espace et le temps tremblaient. Lors de cette fusion, une masse qui mesurait trois fois celle de notre soleil transformé en une gigantesque onde gravitationnelle, dont les restes ont atteint la Terre 1,3 milliard d'années plus tard le 14 septembre, 2015, à 11h51, heure d'Europe centrale. Parce que les ondes se propagent dans toutes les directions sur des distances aussi énormes et se propagent dans un espace incroyablement grand, leur pouvoir a été énormément diminué.

Sur Terre, seul un signal extrêmement faible a été reçu, qui a été enregistré à l'aide de deux tubes à vide perpendiculaires de quatre kilomètres de long aux États-Unis. Deux faisceaux laser spéciaux vont et viennent entre les extrémités de ces installations. Du temps nécessaire pour qu'un faisceau lumineux atteigne l'autre extrémité, les chercheurs peuvent calculer très précisément la distance entre les deux points. "Alors que les ondes gravitationnelles ont atteint la Terre, ils ont raccourci l'une des deux distances de mesure d'une infime fraction d'un trillionième de millimètre dans les deux installations, tandis que l'autre tronçon perpendiculaire a été prolongé d'une quantité similaire, " déclare Ralf Schützhold, chercheur au HZDR, décrivant les résultats de ses collègues. Par conséquent, le 11 février, 2016, après une analyse détaillée des données, les chercheurs ont rapporté la première détection directe des ondes gravitationnelles prédites par Albert Einstein. Trois des chercheurs contributeurs ont reçu le prix Nobel de physique en 2017.

Atomes en synchronisation

Les astrophysiciens peuvent désormais utiliser ces ondes pour observer des événements massifs dans l'espace, comme les fusions de trous noirs ou les supernovas. Les physiciens se demandent maintenant s'il est possible de construire des installations plus faciles à manipuler que les tubes à vide perpendiculaires de quatre kilomètres de long. Certains suggèrent d'utiliser des condensats Bose-Einstein, une forme de matière que Satyendranath Bose et Albert Einstein avaient prédit en 1924. "De tels condensats peuvent être considérés comme de la vapeur fortement diluée d'atomes individuels qui sont refroidis à l'extrême et donc se condensent " explique Schützhold. Des chercheurs aux États-Unis ont créé un condensat de Bose-Einstein en 1995.

A des températures extrêmement basses, seulement très légèrement au-dessus du zéro absolu de moins 273,15 degrés Celsius, la plupart des atomes de métaux comme le rubidium existent dans le même état quantique, formant un méli-mélo chaotique sous forme de vapeur à des températures plus élevées. "Semblable aux particules de lumière laser, les atomes de ces condensats de Bose-Einstein se déplacent, pour ainsi dire, en synchronisation, " dit Schützhold. Ondes gravitationnelles, cependant, peut changer des particules sonores ou des quanta sonores, que les physiciens appellent phonons, dans les condensats d'atomes synchronisés. "C'est un peu comme une grande cuve d'eau dans laquelle les vagues générées par un tremblement de terre modifient les vagues d'eau existantes, " dit Ralf Schützhold, décrivant le processus.

Peu de preuves, c'est trop peu

Cependant, lorsque le chef du département de physique théorique du HZDR s'est penché de plus près sur les fondements de ce phénomène, il s'est assuré que ces condensats de Bose-Einstein devaient être de plusieurs ordres de grandeur plus grands que ce qui est actuellement possible afin de détecter les ondes gravitationnelles émanant de la fusion des trous noirs. "Aujourd'hui, Bose-Einstein condense avec, par exemple, 1 million d'atomes de rubidium sont obtenus avec beaucoup d'efforts, mais il faudrait bien plus d'un million de fois ce nombre d'atomes pour détecter les ondes gravitationnelles, " dit Schützhold. Cependant, une sorte de vortex se forme au sein d'un condensat de Bose-Einstein dans lequel les ondes gravitationnelles génèrent directement des phonons plus facilement observables. "Mais même avec des condensats de Bose-Einstein aussi inhomogènes, nous sommes encore des ordres de grandeur de la détection des ondes gravitationnelles, " dit le physicien.

Le chercheur du HZDR fournit néanmoins un indice quant à une preuve possible :si l'hélium du gaz rare est refroidi à moins de deux degrés au-dessus du zéro absolu, il se forme un liquide superfluide qui n'est pas un pur condensat de Bose-Einstein, mais contient un peu moins de 10 pour cent de ces atomes d'hélium synchronisés. Parce que des quantités beaucoup plus importantes de cet hélium superfluide peuvent être produites, de nombreux ordres de grandeurs plus d'atomes de condensat de Bose-Einstein peuvent être créés de cette façon qu'avec la production directe. « Que l'hélium superfluide soit vraiment un moyen de détecter les ondes gravitationnelles ne peut être démontré qu'avec des calculs extrêmement complexes, " dit Schützhold. Les mini-détecteurs d'ondes gravitationnelles se trouvent donc encore dans un certain temps.