Le
télescope Einstein

Le 14 septembre 2015 demeurera une date importante de l’histoire de la physique: ce jour-là en effet, les scientifiques des 2 observatoires LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) situés aux États-Unis observent les ondes gravitationnelles provoquées par la fusion de 2 trous noirs, exactement comme Albert Einstein l’avait prédit dans sa théorie de la relativité générale un siècle plus tôt. Après bien des vérifications, les physiciens publient le résultat de leur observation en février 2016 dans les Physical Review Letters. Ils y indiquent notamment qu’à partir de la structure des ondes observées, ils ont pu déduire la masse respective des 2 trous noirs (29 et 36 masses solaires) et celle du trou noir résultant (62 masses solaires), ce qui montre que 3 masses solaires ont été perdues sous forme d’énergie gravitationnelle. Comme 2 observatoires ont détecté le phénomène, par recoupement, ils sont aussi parvenus à déterminer une zone de l’espace où il s’est produit et la distance à laquelle il s’est déroulé, en l’occurrence 1,3 milliard d’années-lumière. Ces quelques détails montrent que la détection de ces ondes a ouvert la voie à une nouvelle astronomie, celle où la lumière (les photons) n’est plus le vecteur porteur d’informations mais où c’est l’espace-temps lui-même qui sert de messager. Avec, parmi d’autres, la promesse de voir ce qui s’est passé tout juste après le Big Bang !

D’où, bien sûr, la multiplication des projets d’observatoires, de «télescopes» de ce type à travers le monde. Si 4 sont en activité aujourd’hui et ont détecté plusieurs autres ondes depuis 2015 (VIRGO en Italie, les 2 LIGO aux USA et GEO en Allemagne), un autre est sur le point d’être finalisé au Japon (Kagra) tandis que l’Europe a lancé le programme Einstein, dont la localisation sera sans doute décidée en 2021. Deux endroits sont encore en lice aujourd’hui, la Sardaigne et l’Euregio Meuse-Rhin, plus précisément cette zone du Limbourg hollandais proche des 3 frontières et située au cœur d’un triangle formé par les villes de Liège, Maastricht et Aachen. Une belle carte à jouer pour la Wallonie, ses chercheurs et son industrie spatiale !

Les observatoires d’ondes gravitationnelles décrits ici sont en fait des interféromètres géants. Un faisceau laser est réfléchi sur des miroirs suspendus aux extrémités de longs (plusieurs km) tubes sous vides perpendiculaires l’un à l’autre. Ces faisceaux permettent de mesurer en permanence la distance entre les miroirs avec une précision très importante. Lorsque l’onde atteint le dispositif, comme elle fait varier l’espace-temps, elle comprime et étire les bras de l’interféromètre, donc la distance entre les miroirs varie. L’ennui, c’est que cette variation relative de longueur n’est pas visible à l’œil, pas même au microscope: elle est en effet de l’ordre de 10^-21, soit un milliardième de nanomètre pour un km !

Cette précision, c’est le domaine de Christophe Collette, ingénieur physicien, seul Belge à avoir été membre de la collaboration LIGO et aujourd’hui chargé de cours à l’ULiège et l’ULB et l’un des responsables du projet Einstein pour la Belgique. «Nous allons entamer des travaux préparatoires qui auront un double objectif, explique-t-il. Tout d’abord développer un prototype pour valider certaines technologies implémentées dans le futur télescope et développer un observatoire souterrain pour connaître précisément la nature et la qualité du sous-sol dans la région des 3 frontières à 300 m de profondeur.»

L’observatoire Einstein va en effet avoir des caractéristiques différentes de ses prédécesseurs. Sa sensibilité sera bien plus importante et il scrutera l’univers dans des fréquences plus basses. Et il sera construit en sous-sol (Kagra l’est aussi), avec la moitié de ses miroirs à température cryogénique (-253 °C, soit 20 kelvins) afin de réduire l’agitation thermique des atomes des miroirs et donc accroître leur performance. «C’est l’objet de la phase prototype que nous allons entamer, explique Christophe Collette. Nous allons développer un miroir en condition cryogénique et étudier des modes de suspension de ce miroir qui permettent de réduire au maximum toutes les vibrations parasites.» Les vibrations, voilà l’ennemi juré du responsable d’Einstein ! Et qui justifie d’ailleurs une construction dans le sous-sol. «Nous ne le sentons pas, mais le sol bouge en permanence avec une amplitude de l’ordre du micron. Cela nous paraît dérisoire mais il faut se rappeler qu’il faut pouvoir déceler des variations de longueur de l’ordre de 10^-21; un micron, c’est donc énorme. Or le sous-sol vibre environ 100 fois moins que le sol; c’est une des raisons de l’enfouissement d’Einstein.» Mais elle n’est pas la seule. Il faut également se prémunir du bruit newtonien, ce mouvement dû aux fluctuations du champ de gravité autour de l’instrument. Si le sol bouge, si des bâtiments bougent sous l’effet du vent ou de l’activité humaine comme le passage de camions, les masses bougent également d’où une modification du champ gravitationnel… et donc un mouvement induit des masses. Mieux vaut donc se réfugier sous terre. «Il faut donc développer des capteurs précis capables de mesurer des vibrations de très faible amplitude puis des stratégies qui permettent d’utiliser les signaux provenant de ces capteurs pour annuler la transmission de la vibration, donc découpler les interféromètres de la terre pour les coupler aux étoiles fixes dans l’espace.»