Onde gravitationnelle - Définition

Introduction

Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations d'Einstein sont découplées des perturbations du tenseur énergie-impulsion.

Caractéristiques

D'un point de vue de la symétrie de rotation en trois dimensions, les ondes gravitationnelles ont une symétrie tensorielle (mathématiquement on parle de spin 2), par opposition aux perturbations de la matière qui ont soit une symétrie scalaire (spin 0), soit une symétrie vectorielle (spin 1).

L'existence des ondes gravitationnelles est donc une prédiction de la théorie de la relativité générale. La courbure de l'espace-temps dépend de la répartition de la masse qui s'y trouve, le déplacement d'objets massifs modifie (localement) cette courbure. La propagation des déformations (oscillations de l'espace-temps) se fait par l'intermédiaire des ondes gravitationnelles à la vitesse de la lumière (dans le vide).

De façon imagée, on peut dire que l'intensité de la gravitation doit fluctuer lors du passage d'une onde gravitationnelle comme la surface de l'eau monte et descend lorsque passe une vague.

L'analogie existant en relativité générale entre des charges électriques en mouvement et des masses en mouvement permet de mieux comprendre le phénomène : de la même manière que l'accélération de particules chargées produit des ondes électromagnétiques, l'accélération de particules possédant une masse devrait produire des ondes gravitationnelles. Cette comparaison est toutefois limitée car dans le cas particulier d'un effondrement gravitationnel d'une masse parfaitement sphérique aucune onde gravitationnelle n'est émise malgré la forte accélération subie par la matière (c'est le théorème de Birkhoff).

La plupart des théories de gravité quantique postulent l'existence d'un quantum correspondant appelé le graviton de façon analogue à l'électrodynamique quantique dans laquelle le vecteur de la force électromagnétique n'est autre que le photon. L'onde gravitationnelle est considérée comme l'onde associée au graviton, et ses caractéristiques donnent alors de précieuses informations sur la particule.

Détection des ondes gravitationnelles

Illustration du projet Lisa, vue d'artiste.

La détection des ondes gravitationnelles est un enjeu scientifique car des mesures sur les propriétes de ces ondes donneraient des informations sur la structure même de l'Univers.

L'observation du pulsar binaire PSR B1913+16, découvert en 1974 a permis aux physiciens Russell Hulse et Joseph Hooton Taylor de mettre en évidence l'effet de ces ondes gravitationnelles. Ce pulsar est un système binaire composé de deux étoiles à neutrons en orbite autour de leur centre de gravité commun. Le comportement de ce système s'écarte notablement des prédictions de la mécanique newtonienne. Par contre, il a été observé que ce système perdait de l'énergie, conformément aux prédictions de la relativité générale, qui prédit qu'un tel système diffuse de l'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles. L'observation des modifications de l'orbite du système PSR B1913+16 a permis de mesurer avec précision l'énergie rayonnée et est compatible avec les prévisions faites par la relativité générale. Russell Hulse et Joseph Taylor ont été récompensés par le prix Nobel de physique en 1993 pour cette découverte.

Toutefois, on n'a jamais pu observer directement de rayonnements gravitationnels. C'est-à-dire que personne n'a encore été témoin d'un objet physique se déformant réellement pendant le passage d'une onde gravitationnelle, bien qu'il y ait eu un certain nombre de rapports non confirmés. L'observation confirmée d'ondes gravitationnelles serait une autre preuve importante de la validité de la relativité générale.

Une des raisons pour laquelle on n'a pas encore pu détecter directement ces ondes est leur très faible intensité, de sorte que les signaux, s'ils existent, sont noyés sous le bruit produit par d'autres sources. Les sources terrestres ordinaires seraient de toute façon indétectables, en dépit de leur proximité. Seuls des événements produits par des objets extrêmement massifs comme la collision entre deux trous noirs seraient susceptibles d'être détectés.