Michele Maggiore baigne dans l’onde gravitationnelle depuis plus de trente ans. Ce chercheur, professeur au Département de physique théorique (Faculté des sciences), a en effet commencé sa carrière à l’Université de Pise (Italie), tout près de l’endroit et au moment où, dans les années 1990, a démarré la construction de l’expérience Virgo, un des premiers interféromètres (de 3 kilomètres de long) conçus pour la détection de ces minuscules perturbations de l’espace-temps, messagères discrètes de catastrophes cosmiques lointaines. L’occasion faisant le larron, le physicien se lance dans ce domaine et y mènera jusqu’à aujourd’hui l’essentiel de ses activités de recherche. Après avoir intégré l’Université de Genève en 2000, il rédige même deux gros volumes de référence mondiale sur la question – considérés dans le milieu comme la bible des ondes gravitationnelles.

Ce n’était donc pas une surprise mais plutôt une consécration lorsque la nouvelle annonçant la nomination du scientifique genevois au poste de «porte-parole», c’est-à-dire responsable du volet scientifique de la collaboration internationale visant à construire l’Einstein Telescope (ET), le futur observatoire européen d’ondes gravitationnelles est tombée la semaine dernière. Il dirigera donc, durant quelques années, un projet colossal au budget de 2,5 milliards d’euros qui n’existe encore que sur le papier et dont on ne sait pas exactement où il sera installé ni quelle forme il prendra (en D ou en L), mais qui devrait réaliser sa première observation d’ici à 2038. Il ne fait en revanche aucun doute sur le fait que cet appareil de mesure hors normes (entre 10 et 15 kilomètres de long et enfoui à 300 mètres de profondeur) ouvrira enfin en grand la porte d’une astronomie gravitationnelle digne de ce nom, capable de «voir» l’Univers à une distance et avec une précision sans précédent.

Une onde née sur le papier

Pas surpris, donc, mais ravi et un peu impressionné tout de même par l’ampleur des responsabilités et de la tâche qui l’attendent, Michele Maggiore rappelle que l’ET doit son nom à Albert Einstein qui, le premier, a prédit en 1916 l’existence des ondes gravitationnelles. Après l’examen minutieux des équations de la Relativité générale qu’il a lui-même établies l’année précédente, le célèbre physicien suggère en effet que, un peu à la manière des particules chargées qui génèrent des ondes électromagnétiques lorsqu’elles sont accélérées, une masse subissant une accélération provoquerait autour d’elle une perturbation de l’espace-temps qui, à l’image des vaguelettes sur la surface de l’eau après la chute d’un caillou, se propagerait dans le vide à la vitesse de la lumière (voir ci-dessous). Le sujet est longuement débattu et la preuve de l’existence de ces ondes devient finalement un test (un de plus) de la véracité de la théorie d’Einstein.

«Le verdict définitif ne peut cependant venir que de l’expérience, précise Michele Maggiore. Le problème, c’est que l’effet est minuscule. Pour espérer détecter quelque chose, il faut non seulement un événement cataclysmique impliquant des masses gigantesques, de l’ordre de plusieurs fois celle du Soleil, mais aussi, et surtout, un appareil de mesure suffisamment sensible.»

Ce n’est que dans les années 2000 que les premiers instruments capables d’une telle prouesse sortent de terre, notamment aux États-Unis (LIGO pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et en Italie (Virgo). Ce sont des interféromètres dits «de Michelson». Un faisceau laser divisé en deux est envoyé simultanément dans deux longs tubes perpendiculaires (de 4 km pour LIGO et de 3 km pour Virgo), disposés en «L». Les rayons sont réfléchis par des miroirs aux extrémités et finalement recombiné au point de départ de manière à générer une figure d’interférence. Le passage d’une onde gravitationnelle dans le dispositif aurait comme résultat de déformer légèrement et momentanément l’espace-temps, provoquant une modification infinitésimale de la longueur d’un ou des deux tubes, qui, si elle est suffisante, modifierait de manière visible cette figure d’interférence.

Trois Soleils évaporés en une seconde

C’est l’expérience de LIGO, composé de deux instruments, l’un construit dans l’État de Washington, l’autre en Louisiane, qui, le 14 septembre 2015, détecte pour la première fois une onde gravitationnelle (baptisée «GW150914»). La découverte est annoncée en 2016, soit un siècle après la prédiction d’Einstein, et vaut le Prix Nobel de physique l’année suivante aux principaux concepteurs de LIGO. L’analyse du signal, fugace (il ne dure que 200 millisecondes), permet de déterminer que l’événement qui l’a généré a eu lieu il y a 1,4 milliard d’années, quelque part dans le ciel de l’hémisphère Sud. Il implique deux trous noirs, respectivement de 36 et 29 masses solaires, qui ont fusionné après s’être tournés autour de manière de plus en plus serrée et rapide. Après la collision, il ne reste plus qu’un seul trou noir, de 62 masses solaires.

«Cela signifie qu’en 200 millisecondes, on a vu s’évaporer trois masses solaires, s’enthousiasme Michele Maggiore. Rendez-vous compte! L’équivalent de trois Soleils a proprement disparu en un instant. Si toute cette masse devait être convertie en énergie lumineuse, cela correspondrait à un éclat 50 fois plus important que celui de toutes les galaxies de l’Univers additionnées. Et pourtant, nos télescopes (et nos yeux) n’ont rien vu de cet événement monstrueux. C’est parce que cette énergie s’est dissipée presque entièrement sous la forme d’une onde gravitationnelle, un phénomène que rien n’arrête et qui était totalement invisible, jusqu’en 2015. Imaginez ce que cette nouvelle technique de détection nous permet désormais de voir! Des événements très violents et très anciens, remontant potentiellement aux premiers temps de l’Univers.»

Le 14 août 2017, pour la première fois, trois observatoires (un pour Virgo et deux pour LIGO) observent simultanément et de manière indépendante une onde gravitationnelle (GW170814). Elle est, elle aussi, générée par la coalescence de deux trous noirs de respectivement 30 et 25 masses solaires environ – et libérant 2,7 Soleils d’énergie sous forme de ronds dans l’eau de l’espace-temps. Trois jours plus tard, le trio détecte la première onde gravitationnelle issue d’une collision entre deux étoiles à neutrons, des astres beaucoup plus petits, d’environ 1,2 à 1,6 masse solaire et dont le rayon vaut moins de 12 kilomètres. Cette fois-ci, l’explosion génère également de la lumière qui est détectée sous la forme d’un sursaut gamma par deux télescopes spatiaux (Integral et Fermi GBM), puis sous la forme d’un rayonnement rémanent, par plusieurs dizaines d’observatoires au sol.

Aujourd’hui, la collaboration LIGO/Virgo, qui a été rejointe en 2020 par l’observatoire japonais Kagra, est capable, durant les campagnes de mesure, de détecter en moyenne entre une et deux collisions de trous noirs par semaine, quelque part dans l’Univers.

Tous les trous noirs de l’Univers

«L’objectif, avec le futur observatoire ET, c’est de mesurer davantage d’événements, note Michel Maggiore. Cet instrument devrait pouvoir détecter une collision de trous noirs toutes les 3 minutes et couvrir ainsi l’ensemble de la population de trous noirs stellaires de masse intermédiaire de l’Univers visible. Il nous permettra aussi d’enregistrer le signal de chaque collision entre étoiles à neutrons jusqu’à 24 heures avant l’effondrement final, alors que nous devons nous contenter de la dernière fraction de seconde pour l’instant. Cela nous fournira beaucoup plus d’informations sur le déroulement du phénomène et nous donnera le temps d’avertir les autres télescopes pour qu’ils dirigent leur lunette vers la source afin de recueillir un éventuel signal lumineux.»

Le télescope Einstein permettra ainsi d’explorer l’Univers sur toute la durée de son histoire cosmique, notamment en détectant les collisions entre les premiers trous noirs apparus dans les âges sombres (au cours des premiers 400 millions d’années de l’Univers). Il devrait permettre l’étude de la physique à proximité des horizons des trous noirs, mais aussi la structure interne des étoiles à neutrons (où la densité est tellement élevée que la matière se retrouve dans des états exotiques et inconnus). Il pourra aussi fournir des renseignements sur d’éventuelles modifications de la relativité générale à l’échelle cosmologique et tester, encore et encore, la théorie d’Einstein sur de très grandes distances. Le futur télescope fonctionnera également en collaboration avec des observatoires électromagnétiques existants ou en construction couvrant la bande allant des ondes radio aux rayons gamma. Il travaillera enfin de manière complémentaire avec LISA, l’interféromètre spatial de l’Agence spatiale européenne (ESA) formé de trois satellites éloignés de 2,5 millions de kilomètres les uns des autres, qui devrait être opérationnel en 2035 et qui opérera dans une bande de fréquence différente.

En L ou en triangle

Le télescope Einstein devrait être enfoui à 200 ou 300 mètres sous terre afin d’atténuer en grande partie le bruit sismique, les vibrations du sol liées aux activités humaines et à certains phénomènes naturels. Il intégrera des technologies de pointe pour limiter les effets de la fluctuation de la lumière et améliorer autant que possible le rapport signal/bruit.

La décision sur la géométrie finale du télescope Einstein devrait, quant à elle, être prise d’ici à la fin de cette année. Deux configurations sont à l’étude. La première est celle, classique, du L, avec deux tunnels de 15 kilomètres de long. Le dispositif serait constitué de deux instruments identiques, assez éloignés l’un de l’autre pour réaliser des triangulations et identifier la source sur la voûte céleste. La deuxième configuration possible est celle d’un triangle, résultant d’un agencement de trois «L» dont les branches de 10 kilomètres de long font un angle de 60° au lieu de 90°. Dans ce cas, l’idée consiste à ne fabriquer qu’un seul instrument. Trois sites sont en lice, la Sardaigne (Italie), la Saxe (Allemagne) et la région autour de Maastricht (Pays-Bas). Le choix, qui dépend de la géométrie, sera arrêté en 2027.

Le projet du télescope Einstein, formellement créé sous forme de collaboration internationale en 2022, regroupe environ 2000 scientifiques, membres de 93 groupes de recherche issus de 32 pays différents, essentiellement européens mais également du reste du monde. Si l’Université de Genève est partie prenante depuis le début de l’aventure, la Suisse n’a pas encore intégré le consortium. Mais le processus d’adhésion est en cours et devrait, si tout va bien, être finalisé en 2027.