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Prix Nobel : que sont les ondes gravitationnelles ?

© AP Images/ Luca Bruno

Le prix Nobel de physique est remis ce dimanche 10 décembre. Il a été attribué aux physiciens américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne pour leur travail qui a abouti à l'observation des ondes gravitationnelles. Mais que sont-elles vraiment et pourquoi cette observation est-elle si importante ? 

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Tout commence avec Albert Einstein et sa théorie de la relativité générale. Pour faire simple, il présente l'Univers comme une vaste feuille de papier. Chaque planète, étoile et autre objet céleste possédant une masse créent une déformation dans la feuille. Cette déformation entraîne une attraction : c'est la gravité. Jusqu'ici, tout va bien. 

Sauf qu'Einstein prédit que cette déformation de l'espace doit générer des "vagues", les ondes gravitionnelles. Imaginez un lac. Si vous y jetez une pierre, des vaguelettes vont se propager à partir de l'endroit où cette pierre aura touché la surface. C'est le même principe pour les corps célestes. Sur le papier, tout tenait mais personne n'avait pu confirmer par l'observation l'existence de ces ondes. En théorie, elles voyagent à la vitesse de la lumière et transportent de l'énergie.

En 2015, le Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), un observatoire américain, mesure pour la première fois un phénomène correspondant à des ondes gravitationnelles. À l'origine de cet observatoire... les trois scientifiques américains aujourd'hui récompensés par un prix Nobel.

Pourquoi cette observation est-elle capitale ?

À l'heure actuelle, le décryptage du monde par la physique est divisé en deux parties : la physique quantique qui décrit le monde microscopique (l'infiniment petit) et la relativité qui régit le macroscopique (l'infiniment grand). Sauf que ces deux théories ne sont pas compatibles : les règles dans le domaine de l'une ne s'appliquent pas au domaine de l'autre et réciproquement.

L'observation des ondes gravitationnelles est un premier pas vers une théorie unifiée qui réconcilierait les deux. Mais cette théorie unifiée est loin d'être complète, les ondes gravitationnelles ne résolvent pas toutes les contradictions entre relativité et physique quantique. L'enjeu majeur des ondes gravitationnelles se situerait donc dans les suites que permettraient cette découverte.

La détection de la matière noire

L'un des mystères persistant du monde scientifique est ce que l'on appelle la matière noire (connue aussi sous le terme de matière sombre). Cette mystèrieuse entité composerait 98% de l'Univers et serait la source d'énergie qui permet la rotation des galaxies telle qu'elle est observée. Pour faire simple, les lois de Newton prévoit une évolution pour ces rotations dans un milieu "vide" et l'observation ne colle pas aux prédictions. Les chercheurs ont donc déduit la présence d'une inconnue : la matière sombre est alors conceptualisée.

Par définition, toute matière possède une masse. La masse génère proportionnellement une gravité et donc... Des ondes gravitationnelles ! Les chercheurs vont donc essayer de détecter les ondes que doit dégager cette matière sombre pour d'abord prouver son existence et ensuite la localiser et l'analyser.

La compréhension du Big Bang

Vous connaissez la théorie du Big Bang : il n'y avait rien, une étincelle, une explosion et BAM ! l'Univers. Les scientifiques ont pu prouver son existence par l'observation du rayonnement qui parcourt, encore aujourd'hui, l'Univers. Mais cette théorie, bien qu'en partie prouvée, pose encore problème aux scientifiques parce que, lorsqu'ils reconstituent le Big Bang, ils se heurtent à un point au-delà duquel ils ne peuvent pas remonter.

Ce point, c'est le mur de Planck : les rayonnements observés et utilisés viennent de là et les scientifiques n'arrivent pas à "voir" au-delà. Avec les ondes gravitationnelles, ce problème disparait : on ne cherche plus de la lumière mais l'énergie dégagée par la première matière de l'Univers, les  ondes gravitationnelles primordiales. Ces ondes transportent de l'énergie, donc des informations et donc de quoi reconstituer les premiers instants du Big Bang.

Le voyage dans le Temps et la téléportation

La théorie de la relativité est aussi une affaire d'espace et de Temps. Reprenons l'analogie avec la feuille de papier. Appliquée à notre conception du Temps et de l'espace, on nait à un point A et avance sur la feuille pour arriver à un autre point. Mais si vous pensez en trois dimensions et que vous pliez la feuille, vous pouvez, en théorie, passer d'un point à un autre par un raccourci. Ce raccourci, c'est un trou de ver, un "tunnel" entre deux moments dans l'espace-temps.
Le lien avec les ondes gravitationnelles ? Étant donné qu'elles naissent d'une déformation de l'espace, elles pourraient permettre de déformer l'espace au point d'offrir la possibilté de voyager dans l'espace et le Temps.

Sur le même principe, la téléportation pourrait être rendue possible. De fait, la physique quantique a prouvé que deux particules microscopiques peuvent être liées à des centaines de kilomètres de distance, existant simultanément et inter-dépendantes. Mais pour y arriver, il faudrait d'abord une théorie unifiée... que les ondes gravitationnelles pourraient offrir.