Une
onde gravitationnelle correspond à une
modification des propriétés
métriques de l’espace qui se propage dans
l’univers à la vitesse de la
lumière. Aujourd’hui, leur
détection directe est devenu un des enjeux
importants de la physique, elle permettra de
tester de façon approfondie la
relativité générale
d'Einstein et d'ouvrir une nouvelle fenêtre
sur l'Univers avec des retombées en
astrophysique et en cosmologie.
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Vu
l’importance du projet scientifique et des
développements technologiques, c’est
dans une collaboration internationale que le
défi expérimental pour leur
détection a été
proposé. Il se décline en trois
approches complémentaires pour ce qui
est de leur couverture spectrale : les
interféromètres au sol (Virgo,
LIGO, etc.) allant de 10 Hz – 10 kHz, dans
l’espace, comme eLISA/NGO allant de quelques
mHz à une fraction de Hertz et le
timing de pulsars en réseau couvrant
les très basses fréquences
(~nHz). Une première
génération de détecteurs,
mise en service il y a quelques années,
a permis de valider les choix technologiques
et instrumentaux permettant ainsi la
métrologie de très grande
précision. Dès 2016, elle
laissera place à une seconde
génération possédant une
sensibilité dix fois meilleure,
pouvant observer ainsi un volume d'univers mille fois
plus large, et permettant (probablement) la
première détection directe des
ondes gravitationnelles.
Parmi
les sources d'ondes gravitationnelles, les
événements astrophysiques violents
(coalescences, effondrement gravitationnel)
mettant en jeu des objets denses, comme les
étoiles à neutron et les trous
noirs, peuvent s'accompagner d'émissions
électromagnétiques et de particules
(des neutrinos en particulier) de haute
énergie. L'observation d'une contrepartie
électromagnétique (dans le domaine
du visible, des rayons X, gamma, radio...) ou
neutrino (de basse ou haute énergie)
pourrait alors être un ingrédient
dans l'identification de l’origine astrophysique
d'une onde gravitationnelle.
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Cette
expectative motive une « approche
multi-messagers », visant à
corréler les observations des
détecteurs d'ondes gravitationnelles
avec celles d'autres modes observationnels. Ce
choix de technique d’observation requiert des
coopérations avec les télescopes
optiques permettant des visées rapides
sur un mode opportuniste «
robotisés » et avec les projets
de grands relevés du ciel transitoire
dans les bandes radio avec LOFAR ou
optique/proche infra-rouge avec LSST. Une
bonne synergie existe également
à plus haute énergie, concernant
la recherche des sursauts-gamma via les
projets Fermi ou Swift ainsi que de la mission
sino-francaise SVOM. Dans le spectre neutrino,
des travaux ont été
initiés avec ANTARES et peuvent se
prolonger naturellement avec le futur
détecteur européen KM3.
Le
CNRS est fortement impliqué dans les
détecteurs au sol à travers Virgo.
La première génération a
démontré la faisabilité de
ces expériences en menant des campagnes
d'observation à la sensibilité
prévue, et faute d'une détection a
permis d'établir des limites astrophysiques
intéressantes sur les sources. Elle a par
ailleurs vu l'avènement d'un fonctionnement
des différents détecteurs en
réseau ainsi que les premiers pas d'une
astronomie multi-messager impliquant les ondes
gravitationnelles. Bientôt, la deuxième
génération, avec une
sensibilité accrue d'un facteur 10
(Advanced Virgo, Advanced LIGO...), offrira des
perspectives riches et la promesse d'une
véritable astronomie gravitationnelle. A
plus long terme, le projet européen de
troisième génération, le
Einstein Telescope (ET), permettra de sonder
l'Univers en profondeur. C’est l'un des "Sept
magnifiques", les projets européens
recommandés par le réseau ASPERA pour le développement futur de la physique
des astroparticules en Europe.
Par mesure d’efficacité, la recherche sur
les ondes gravitationnelles représente un
effort mondial, les informations sur les sources
ne pouvant être obtenues qu'avec plusieurs
interféromètres fonctionnant
simultanément sur différents sites.
Les communautés scientifiques aux
États-Unis (LIGO), en Allemagne -
Royaume-Uni (GEO600) et en Italie - France et Pays
Bas (Virgo) partagent les technologies, la R&D
et les avancées théoriques, ainsi
que les méthodes pour l’analyse des
données. Le projet européen ET
contribuera à améliorer cette
collaboration à travers le monde.
