« Toute découverte scientifique majeure finit toujours par donner ses fruits. Les ondes gravitationnelles ne feront pas exception. »

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Entretien. La récente mise en évidence des ondes gravitationnelles, observées pour la première fois en 2015 aux USA par l’expérience de LIGO (Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser), a valu le prix Nobel de physique 2017 à Barry Barish, Kip Thorne et Rainer Weiss. Cette prouesse technique est un événement scientifique majeur pour deux raisons : il confirme la théorie de la relativité générale ; il ouvre une voie totalement nouvelle d’exploration de l’univers. Hubert Krivine, physicien, a bien voulu éclairer notre lanterne.

Peux-tu resituer cette découverte dans la longue quête à travers laquelle les hommes ont progressivement élargi leur compréhension de l’univers, et la mettre en perspective ?

Que ce soit pour s’orienter, pour mesurer le temps ou pour des motifs religieux ou astrologiques, les hommes ont toujours scruté le ciel. Sans autre moyen, ils l’ont fait  en regardant à l’œil nu les lumières qui nous parvenaient des astres. Puis à la Renaissance, Galilée (1564-1642) a eu l’idée d’amplifier ces lumières à l’aide de la lunette des Hollandais. Il découvrit les montagnes de la Lune, les satellites de Jupiter, les taches solaires et surtout la confirmation du modèle de Copernic qui affirmait, contre le bon sens (et l’Église) le mouvement de la Terre.

Galilée est probablement le premier à s’être demandé si cette lumière arrivait tout de suite ou avait une vitesse de propagation finie, mais il n’avait pas réussi à la mesurer. C’est en 1676 que Roemer estima la vitesse de la lumière à 220 000 km/s. L’ordre de grandeur y était (c’est à peu près 300 000 km/s). Du coup on comprenait que ce qui était lointain était vu sur Terre avec retard. Si le Soleil disparaissait, on ne le saurait que 8 minutes plus tard, pour l’étoile polaire, 433 ans après… C’est un peu l’espace-temps que Einstein va systématiser. Voir le monde loin, c’est le voir tôt.

Mais qu’était cette lumière porteuse d’information sur l’univers ? Il a fallu attendre les travaux de Maxwell dans la seconde moitié du 19e siècle pour en avoir une idée plus précise. C’est une onde de nature électromagnétique qui se propage dans l’espace. La lumière visible en est seulement un cas particulier caractérisé par une longueur d’onde de 0,4 (pour le rouge) à 0,7 micron (pour le violet). À d’autres longueurs d’onde, cette onde existe mais n’est pas visible, comme les infrarouges (IR) ou l’ultraviolet (UV). Le domaine est encore plus vaste : en deçà de la longueur d’onde des UV, il y a les rayons X puis gamma ; au-delà de celle des IR, les ondes radio.

La Seconde Guerre mondiale a vu le développement des radars, et donc la possibilité de scruter le ciel à des longueurs d’onde non visibles, les ondes radio, qui vont, à l’aide des radiotéléscopes, donner un tableau infiniment plus riche de l’univers.  

Enfin la réception des neutrinos, particules n’interagissant que très peu avec la matière et émis par des sources lointaines peuvent (et surtout pourront) aussi nous renseigner sur la structure de l’univers.

Quelle est la place et le rôle ­d’Einstein dans cette histoire ?

Les ondes gravitationnelles1 étaient prévues par Einstein en 1916, comme conséquence de sa théorie générale de la relativité. Un peu comme Maxwell prévoyait les ondes électromagnétiques comme conséquences de ses équations. C’est Hertz qui, près de 40 ans plus tard, les montrera expérimentalement. Cette fois-ci, il aura fallu près d’un siècle pour que nos trois Nobel réussissent ce pari de la démonstration de l’existence des ondes gravitationnelles. Quant au rôle d’Einstein, il est évident, mais il en va un peu de même avec le rôle de la personnalité en histoire. On peut bien penser que sans Einstein, on y serait bien arrivé : de grands savants comme le néerlandais Lorentz (1853-1928) et surtout le français Poincaré (1854-1912) étaient au voisinage de la découverte de la théorie de la relativité (restreinte, il est vrai). Mais on y serait arrivé plus tard.

Nous ne croyons pas au miracle mais cependant cette découverte ne relève-t-elle pas d’un miracle technique ?

Il faut un peu y croire, oserais-je dire. Einstein lui-même doutait de la possibilité de la mise en évidence des ondes gravitationnelles à tout jamais à cause de leur très faible intensité. Il fallait à la fois une source de puissance gigantesque qu’aucun laboratoire sur Terre ne pourrait jamais fournir (c’est ici rien moins que la réunion de deux trous noirs d’une trentaine de masses solaires, à une distance de deux milliards d’années-lumière !2) et une sensibilité phénoménale des détecteurs : il fallait repérer une variation de longueur de l’ordre du milliardième de la taille d’un atome3 entre deux bras d’un interféromètre de 3 km de longueur « remplis » d’un vide du millième de milliardième d’atmosphère. Sans ses atténuateurs de bruit, une baignoire qui se vide à 5 kilomètres du détecteur troublerait la mesure !

Quelles implications pour l’avenir ?

Même si on est incapable d’en prévoir immédiatement ses applications « concrètes », toute découverte scientifique majeure finit toujours par donner ses fruits. Les ondes gravitationnelles ne feront pas exception. Copernic, puis Galilée ont bouleversé notre conception du monde en décentrant l’homme (ce que Darwin va achever). La mystification religieuse et le poids de l’Église ont pris un sacré coup, ce qui a été riche d’implications sociales. La découverte des ondes électromagnétiques, c’est la radio, la télévision, les rayons X, le téléphone portable, les fours à micro-ondes, bref tout ce qui est réputé faire la civilisation. Maintenant, sans la théorie de la relativité (restreinte et générale), pas de compréhension de la structure et de l’évolution de l’univers et même, de façon plus prosaïque, pas de GPS. Les ondes gravitationnelles, comme les ondes électromagnétiques (optiques, puis ultraviolettes et infrarouges) nous permettront d’accéder à un panorama encore plus riche et plus compliqué du monde.

Elles aideront peut-être à percer un des plus grands mystères du cosmos : qu’est-ce que la matière noire, qui composerait 80 % de la matière ? Cette matière hypothétique nous est imposée par la théorie de la gravitation qui à elle seule ne peut pas expliquer la rotation des bras de galaxie : il faut leur ajouter une masse manquante ; et beaucoup ! À moins, disent certains astronomes (très minoritaires), de modifier la théorie de la gravitation d’Einstein. Mais l’existence prouvée des ondes gravitationnelles rend plus délicate cette hypothèse.

Propos recueillis par Yvan Lemaître

  • 1. Voir la revue l’Anticapitaliste n°74, mars 2016.
  • 2. Une année-lumière équivaut à une distance d’un peu moins de 10 millions de millions de kilomètres.
  • 3. C’est bien plus petit que la précision d’une mesure de la distance Terre-Soleil à un cheveu près !