Représentation de l'espace-temps et ses déformations dues à la présence de masses ou d'énergies
Les ondes gravitationnelles sont la plus grande découverte en astronomie depuis Galilée et Copernic. Leur observation aux Etats-Unis en 2016 a été couronnée par le prix Nobel de physique 2017. Il y a cent ans, Albert Einstein les avait prédites ainsi que les trous noirs…
Il y a des gens sur Terre – les agnostiques – qui doutent de l'existence d'un Dieu révélé par les prophètes, les messies et entretenu par les religions qui ont repris leur message. Ces agnostiques sont forcés cependant de reconnaître l'existence de deux grands mystères qui nous dépassent et nous dépasseront toujours : le cosmos, la matière, l'infini d'un côté, et l'énigme de la vie d'autre part. Il y a des théories sur les premiers mais beaucoup d'inconnues, notamment la matière noire et l'énergie sombre, tant d'inconnues qu'on peut légitimement affirmer que l'homme ignore tout du sujet. Quant à la vie, on la voit de toutes parts se créer, se développer et s'éteindre mais si on parvient grâce à la science à connaitre quelques aspects du "comment", on ignore tout, mais vraiment tout, du "pourquoi ?".
Au cœur de ces mystères, il y a deux réalités qui ont valeur de "principes créateurs" qu'on est en droit de qualifier de divins. La première est l'unicité des éléments fondamentaux de la matière, qui se répètent dans l'espace jusqu'à l'infini (92 au total de l'Hydrogène à l'Uranium, en excluant les plus instables) avec leur concert de particules élémentaires ; l'autre est leur nombre "discret" (il n'y a pas d'élément dont le numéro atomique soit un nombre décimal, irrationnel ou transcendant). Et ils entrent exclusivement dans la composition des corps vivants qui font appel à ces mêmes 92 éléments et rien d'autre (30 d'entre eux environ pour le corps humain).
Nous ne sommes pas des "poussières d'étoiles" mais des assemblages de débris d'étoiles et de planètes qu'un souffle mystérieux (divin ?) a transcendé.
Il est des gens pour qui la soif de spirituel, qui habite chacun d’entre nous peu ou prou, s'exprime dans l'admiration sans borne de ces principes créateurs pour leur beauté conceptuelle et les mystères dans lesquels ils se drapent.
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Nous sommes loin du Marais ici mais il ne me déplaît pas d'abandonner un peu les sujets ordinaires pour revenir sur ce qui a été une découverte d'un immense retentissement : des chercheurs de la Columbia University ont observé des "ondes gravitationnelles". De nombreux quotidiens et hebdomadaires ont fait écho à cet événement en s'efforçant d'en expliquer le contenu, ainsi que les enjeux en matière de connaissance et de compréhension du cosmos.
Dans une version "Café du Commerce", voici ce que j'en disais en 2016. Le sujet mérite qu'on y revienne. Je le propose à nouveau à votre lecture en cet été où la chaleur nous pousse plus à la réflexion qu'à l'action :
Albert Einstein et avant lui Hendrik Lorentz et Henri Poincaré ont tracé les voies de la relativité générale qui décrit l'espace comme un continuum espace-temps non isotrope qui subit des déformations sous l'influence des masses et des énergies avoisinantes. Dans un tel milieu, les corps en mouvement se déplacent en respectant le principe de "moindre action". Ceci veut dire qu'ils suivent la voie qui est pour eux "sans effort". C'est ce qui conduit les planètes par exemple à suivre une trajectoire qui est une ellipse autour du soleil.
Une question se posait : comment l'espace est-il informé qu'il existe une masse ou une énergie qui conditionne ses caractéristiques ? on sait que le soleil existe parce qu'on le voit et qu'on le sent mais il continue d'exister et d'influencer le parcours de la Terre sans être visible depuis la face non éclairée de la Terre (la nuit). Plus fort encore : s'il disparaissait par enchantement, la Terre ne le saurait qu'au bout de huit minutes et continuerait bêtement à tourner autour de lui comme si de rien n'était !
Einstein a postulé que les déformations de l'espace-temps étaient dues à la propagation d'une onde qui se déplace à la même vitesse que la lumière dans le vide (300.000 km/s). Une onde qui contrairement à la lumière n'est pas arrêtée par un corps massif ou ralentie par un milieu qui offre une résistance (l'eau ou l'air par exemple). Il n'a pas eu la possibilité toutefois d'en apporter la preuve par l'expérience.
Un événement cosmologique a été découvert en septembre 2015 : la fusion de deux trous noirs situés à un milliard d'années-lumière de nous et représentant 65 fois la masse du soleil avec perte de 3 masses solaires ce qui correspond à une énergie libérée gigantesque. La déformation – infime – de l'espace-temps mesurée sur des appareillages en Louisiane et dans l’État de Washington, à 3.000 km de distance, a été constatée avec un décalage dans le temps de 7 millisecondes correspondant à un déplacement de l'information entre ces deux sites à la vitesse de la lumière.
On remarque que le décalage de 7 ms sur une distance de 3.000 km ne correspond pas à la vitesse de la lumière mais à une vitesse virtuelle de 429.000 km/s. On en déduit l'hypothèse que les deux plateformes ne sont pas alignées avec la direction du trou noir dans l'espace mais positionnées de façon telle que la projection orthogonale du segment de 3.000 km sur cet axe n'est que de 2.100 km. Cette longueur divisée par 7 ms donne bien la vitesse de la lumière soit 300.000 km/s.
L'une des deux plateformes de détection "LIGO". (Photo Caltech – MIT)
Il reste à s'assurer que la conclusion de cette observation est bien liée à l'existence des mouvement ondulatoires gravitationnels, dont les ondes se déplacent à la vitesse de 300.000 km/s, qui n'est pas seulement la vitesse de la lumière dans le vide mais une constante universelle de l'espace-temps relativiste qu'on peut définir comme la vitesse limite que peut atteindre un élément matériel. Ce chiffre ne peut être dépassé car, selon la théorie de la relativité restreinte, la masse devient infinie à cette vitesse.
Cette découverte ouvrira-t-elle la voie à de nouvelles recherches : compréhension de ce qu'est la matière noire et l'énergie sombre qui comptent pour 90 % de la composition de l'univers sans qu'on ait pu les identifier autrement que par leurs effets gravitationnels ; interférences sur des ondes gravitationnelles ; gravité zéro ; unification de la théorie des quanta et de la relativité …. ?
Gérard Simonet