Des ondes gravitationnelles mises en évidence par un radiotélescope au pôle Sud ?
Albert Einstein a prédit en 1918 dans le cadre de sa théorie de la relativité générale l’existence d’ondes gravitationnelles produites par des masses accélérées.
En utilisant le radiotélescope BICEP2 situé au pôle Sud, une équipe d’astronomes américains ont étudié avec une extrême précision le rayonnement électromagnétique créé par le Big Bang qu’on appelle usuellement rayonnement du fond diffus cosmologique (abrégé en CMB, de l’anglais cosmic microwave background),
Ils y ont trouvé un excès de polarisation de certains photons. Celui-ci est en accord avec la théorie standard (dite Lambda CDM) qui prédit une influence sur les photons de l’onde gravitationnelle qui a dû être émise juste après le Big Bang. Ceci serait la preuve la plus directe aujourd’hui de l’existence des ondes gravitationnelles.
Le modèle standard de la cosmologie prévoit que l’univers se dilate en un temps astronomiquement petit ( ≈ 10-33 s) après le Big Bang. C’est ce qu’on apppelle l’inflation. Au cours de celle-ci, il y a, entre autres, production d’ondes gravitationnelles. Ensuite l’expansion de l’univers se poursuit à un rythme plus lent.
380 000 ans plus tard, le rayonnement du fond diffus cosmologique est émis. L’interaction des ondes gravitationnelles avec celui-ci induit, d’après la théorie un excès de certains modes de polarisation dans ce rayonnement. C’est justement cet excès que vient de détecter BICEP2.
La figure 2 ci-dessous représente l’ « Histoire de l’Univers » depuis le Big Bang .
Les satellites COBE et WMAP de la NASA et PLANCK de l’ESA ont fourni une carte de l’amplitude du rayonnement diffus du fond cosmologique qui a mis en évidence des fluctuations de densité dont on pense qu’elles sont à l’origine des galaxies et des étoiles.
Le radiotélescope BICEP a été conçu et réalisé pour étudier la polarisation de ce rayonnement. Ses éléments optiques sont montés dans un cryostat les portant à basse température (4 K = -269,15 °C) pour diminuer le bruit. En outre, dans son plan focal, des détecteurs ultra-sensibles munis de filtres de polarisation sont refroidis par un réfrigérateur Hélium 3/ Hélium4 jusqu’à une température de T= 270mK , – 272,88°C.
La figure 3 ci-dessous présente un schéma de cet appareil.
Il faut noter que ces résultats confortent énormément la théorie de l’inflation qui repose aussi sur toutes les données cosmologiques connues jusqu’ici.
Mais cette découverte n’empêchera pas les tentatives de mettre en évidence plus directement encore les ondes gravitationnelles.
On a d’abord cherché à en observer les effets sur d’énormes masses suspendues en des points éloignés de quelques kilomètres. Devant l’insuccès de cette méthode, on tente maintenant de voir l’effet de ces ondes sur les faisceaux lasers de gigantesques interféromètres de Michelson (ce sont le programme européen Virgo en Italie et le programme Ligo aux Etats-Unis). Les expériences n’ont jusqu’ici pas été assez sensibles pour obtenir un résultat. Le programme européen Lisa est au stade du projet : il s’agit de lancer un ensemble de trois satellites distants les uns des autres de 1 million de kilomètres qui peuvent mesurer leurs distances par interférométrie laser et de détecter ainsi le passage d’une onde gravitationnelle qui modifie ces distances.
Les ondes gravitationnelles générées par la brève mais violente période de l’inflation doivent maintenant encore se propager à travers l’Univers, mais avec une intensité si affaiblie qu’ on ne peut penser les détecter directement. Néanmoins, elles ont laissé dans le CMB une marque distinctive de polarisation qui a permis de les identifier.
Pour en savoir plus :
BICEP2 -II: EXPERIMENT AND THREE-YEAR DATA SET
BICEP2-DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES
Wikipedia Onde gravitationnelle