D15 Cosmologie observationnelle : les ondes gravitationnelles comme sirènes standards

Topique

L'élément clé de ce modèle est le réseau d'interféromètres laser, dont les bras s'étendent sur plusieurs kilomètres, qui détecte les distorsions de l'espace-temps produites par la fusion de trous noirs et d'étoiles à neutrons – un effet si infime que la variation de longueur de chaque bras est bien inférieure au diamètre d'un seul proton.

Le principe de ce réseau est simple : un faisceau laser se divise et se propage le long de deux bras perpendiculaires, et la différence de longueur du chemin optique induite par une onde gravitationnelle entre ces deux bras se traduit par un décalage mesurable dans la figure d'interférence résultante.

Pour ce même réseau, les fusions d'étoiles à neutrons constituent des indicateurs de référence particulièrement précieux : l'amplitude de l'onde gravitationnelle elle-même fournit directement la distance de luminosité, sans passer par les étapes de l'échelle des distances traditionnelle, tandis qu'une éventuelle contrepartie électromagnétique, à son tour, fournit le décalage vers le rouge. Ensemble, ces deux données permettent de mesurer le taux d'expansion de l'Univers par une méthode totalement indépendante de toutes les précédentes.

L'aspect le plus remarquable de ces instruments réside dans leur capacité à supprimer pratiquement toute autre source de bruit jusqu'à ce que le signal provenant de l'espace-temps lui-même devienne détectable : des suspensions à plusieurs étages isolent les miroirs des vibrations du sol de plusieurs ordres de grandeur, un vide extrêmement poussé règne à l'intérieur des tubes à faisceau, et la puissance du laser est amplifiée de nombreux fois au sein de cavités optiques résonantes.

La première fusion d'étoiles à neutrons détectée de cette manière a permis de déterminer la distance de luminosité directement à partir de l'amplitude de l'onde, tandis qu'un spectrographe distinct mesurait le décalage vers le rouge de sa lueur visible, produisant ainsi la première mesure du taux d'expansion de l'Univers grâce à cette méthode entièrement nouvelle. Ainsi, du réseau d'interféromètres laser qui ouvre cet article à cette première mesure qui le conclut, grâce au principe d'interférence et aux sirènes standard, la cosmologie observationnelle permet à une simple onde gravitationnelle, sans s'appuyer sur aucun échelon de l'échelle des distances traditionnelle, de mesurer, à elle seule, la vitesse d'expansion de l'Univers.

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