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Autant que l'on sache, il y a quatre forces fondamentales dans l'Univers : nucléaire forte, électromagnétique, nucléaire faible et gravitationnelle. La plus forte est la force nucléaire forte, celle qui tient ensemble les noyaux des atomes.
Chaque jour, nous faisons l'expérience de la force électromagnétique, en jeu par exemple lorsque les électrons de notre peau repoussent ceux des objets que nous déplaçons. Elle est environ cent fois plus faible que la force nucléaire forte.
La force nucléaire faible est à peu près dix milliards de fois plus faible que la force électromagnétique. Cette force est responsable de la désintégration des particules et des noyaux, qui produit la radioactivité.
La force gravitationnelle est la plus faible des quatre forces fondamentales, environ 1038 fois plus faible que la force nucléaire forte, 1036 fois plus faible que la force électromagnétique et 1029 fois plus faible que la force nucléaire faible. C'est pour cela que la force gravitationnelle a peu d'importance à l'échelle subatomique – mais n'en est pas moins la force dominante à l'échelle macroscopique: la force gravitationnelle façonne et forme les corps astronomiques tels que les planètes, les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies, et les place dans leurs orbites respectives.
La force gravitationnelle est le phénomène par lequel les objets qui ont une masse sont attirés les uns vers les autres. Nous l'éprouvons sur notre planète sous forme de gravitation, et nous devons la combattre lorsque nous voulons voyager dans l'espace. Mais bien que nous soyons familiers de ses effets, ce n'est que récemment que nous avons commencé à mieux comprendre sa nature.
En 1916, Albert Einstein a prédit que la force gravitationnelle est une conséquence de la courbure de l'espace-temps. Sa théorie disait que des événements catastrophiquement violents pouvaient créer des changements brusques dans la courbure de l'espace-temps, comme lorsqu'on lâche une pierre dans un étang. L'effet de cet événement se propage alors sous forme d'ondes.
Einstein a démontré que des objets massifs et compacts, comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs orbitant l'un autour de l'autre, devaient produire des ondes gravitationnelles, tout en perdant de l'énergie, ce qui les oblige à orbiter de plus en plus près, jusqu'à leur coalescence, en produisant une gigantesque onde finale. Ces ondulations devraient alors se propager à la vitesse de la lumière à travers tout l'Univers, en portant des informations sur leurs origines, mais aussi sur la nature de la gravité elle-même.
La difficulté, pour détecter des ondes gravitationnelles, est que normalement elles sont trop faibles pour nos capteurs. Cela signifie que seules celles qui ont été produites lors d'un événement catastrophique colossal peuvent être détectées. Cela comprend des trous noirs en collision, des étoiles à neutron en train de fusionner, ou des étoiles naines blanches, et même la rotation instable d'étoiles à neutrons qui ne sont pas des sphères parfaites.
La première preuve de l'existence des ondes gravitationnelles est apparue en 1974, lorsque deux astronomes du Arecibo Radio Observatory à Porto-Rico ont découvert deux étoiles extrêmement denses et lourdes en orbite l'une autour de l'autre – ce que l'on connaît sous le nom de «pulsar binaire». Après huit années passées à mesurer la manière dont la période des orbites des étoiles changeait, les astronomes ont découvert que les étoiles se rapprochaient l'une de l'autre à la vitesse exacte prédite par la relativité générale d'Einstein.
Ce pulsar binaire a été surveillé pendant plus de 40 ans, ce qui a permis de conclure qu'il émet des ondes gravitationnelles. De la sorte, la mesure des émissions radio est devenue une sorte de méthode standard pour chasser les ondes gravitationnelles parmi les astronomes, et découvrir des effets similaires, confirmant plus avant l'existence d'ondes gravitationnelles. Toutefois, le problème est que ce sont là des mesures indirectes, qui montrent les ondes mathématiquement.
La première observation véritable et directe d'ondes gravitationnelles a eu lieu le 14 septembre 2015, lorsque le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), une paire d'observatoires au sol aux Etats-Unis (Washington et Louisiane), a annoncé l'observation de distorsions dans l'espace-temps consécutives à des ondes gravitationnelles provoquées par deux trous noirs entrant en collision, à près de 1,3 milliards d'années-lumière de la Terre. Une deuxième observation suivit en décembre de la même année, tandis que la troisième et dernière observation est survenue en janvier 2017.
Être capable de détecter les ondes gravitationnelles est comme de disposer d'un nouveau sens, mais cela peut-il nous servir d'une manière ou d'une autre ? La réponse, c'est l'astronomie des ondes gravitationnelles. Il s'agit d'un domaine émergent, dans lequel les astronomes peuvent utiliser les ondes gravitationnelles pour étudier des zones de l'Univers qu'ils ne pouvaient pas «voir» précédemment.
Les trous noirs constituent un exemple. Normalement ils sont invisibles et ne peuvent être détectés que lorsque leur masse énorme infléchit la lumière qui passe derrière eux. Grâce aux lentilles gravitationnelles, on peut voir les trous noirs se déplacer dans l'Univers, laissant des ondulations d'espace-temps déformé derrière eux.