Dans le cadre de notre cycle trimestriel de conférences scientifiques ouvertes au public, M. Antoine Petiteau, astrophysicien au CEA et responsable scientifique du centre de traitement des données de la mission spatiale européenne LISA (Laser Interferometer Space Antenna), présente ce soir une conférence sur l’un des domaines les plus actifs de la physique contemporaine : la détection des ondes gravitationnelles et les nouveaux instruments conçus pour observer l’Univers gravitationnel.
Observer l’Univers avec les ondes gravitationnelles : LISA et PTA.
Un voyage dans l’imperceptible avec Antoine Petiteau
Les ondulations de l’espace-temps
La théorie remonte à 1916, lorsqu’ Albert Einstein prédit l’existence des ondes gravitationnelles [1] : l’espace et le temps ne sont pas des entités rigides et immuables, mais forment un tissu déformable.
Lorsque des masses compactes extraordinairement denses — trous noirs stellaires ou supermassifs, étoiles à neutrons — orbitent et fusionnent dans l’Univers, elles créent des ondulations dans ce tissu. Ces ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, transportant avec elles l’histoire intime de ces événements cosmiques.
Le défi technique que pose leur détection est considérable. Une onde gravitationnelle qui passe modifie les distances entre les objets avec une déformation relative de l’ordre de 10⁻²¹ pour les événements typiques détectés par les interféromètres terrestres LIGO et Virgo. « C’est comme mesurer l’épaisseur d’un cheveu humain sur la distance qui nous sépare de Proxima du Centaure », illustre Antoine Petiteau.
L’histoire de cette quête s’étend sur un siècle.
Après la prédiction d’Einstein en 1916, il faudra attendre 1974 pour une première preuve indirecte avec la mesure de la perte d’énergie d’un pulsar binaire par Hulse et Taylor. Puis vient 2015 : la première détection directe.
Deux trous noirs stellaires fusionnent à 1,3 milliard d’années-lumière, générant une onde gravitationnelle détectée par LIGO le 14 septembre 2015. Plus récemment, en juin 2023, les réseaux de chronométrage de pulsars révèlent l’évidence d’un fond d’ondes gravitationnelles dans les très basses fréquences.
Figure : Détecteurs d’ondes gravitationnelles et leurs sources dans les trois bandes de fréquence (réseaux de pulsars, interféromètre spatial, interféromètres terrestres). Source : gwplotter.com
L’interféromètre spatial LISA : un triangle de lumière dans l’espace
Antoine Petiteau entre dans le vif du sujet : le projet d’interféromètre laser spatial européen LISA (Laser Interferometer Space Antenna).
Sur l’écran, une animation montre la configuration : trois satellites séparés par 2,5 millions de kilomètres forment un triangle équilatéral qui suit la Terre sur son orbite héliocentrique, à environ 50 millions de kilomètres de distance.
Figure : Configuration orbitale de LISA — trois satellites séparés de 2,5 millions de kilomètres forment un triangle équilatéral en orbite héliocentrique. Pour une présentation visuelle animée : ESA – LISA: Laser Interferometer Space Antenna
Ce projet titanesque, rêvé dès 1974 puis formalisé dans les années 1990, est aujourd’hui en cours de construction. Le 25 janvier 2024, l’Agence Spatiale Européenne a officiellement adopté la mission.
Les contrats industriels ont été signés en juin 2025. Le lancement est prévu pour 2035.
Le défi technique réside dans les masses de test — de petits cubes flottant en chute libre à l’intérieur de chaque satellite, protégés de toute perturbation. Les satellites «suivent» ces masses grâce à un système de micropropulseurs ultraprécis, le système drag-free, déjà validé par la mission LISA Pathfinder entre 2016 et 2017. Cette mission a confirmé que l’endroit le plus stable du système solaire se trouve à l’intérieur d’un satellite artificiel en orbite.
Le bruit laser — les fluctuations naturelles de la lumière — est cent millions de fois plus fort que le signal recherché. Pour extraire le signal utile, l’instrument utilise une technique appelée interférométrie à délais temporels (TDI, Time-Delay Interferometry).
En recombinant les phases des faisceaux laser avec des retards calculés, on fait disparaître le bruit par interférences destructives.
Promesses scientifiques
L’instrument promet une moisson scientifique sans précédent :
- Cartographier la Voie lactée : détection de 10 000 à 30 000 binaires d’étoiles compactes dans notre galaxie
- Comprendre les trous noirs supermassifs : de la formation des premiers quasars jusqu’aux fusions actuelles
- Sonder l’environnement des trous noirs : cartographier la géométrie de l’espace-temps au voisinage de l’horizon
- Mesurer l’expansion cosmique : les ondes gravitationnelles comme « sirènes standard »
- Remonter aux origines de l’Univers : révéler les transitions de phase primordiales, avant les 380 000 premières années
- Détecter l’inattendu : chaque nouvel instrument révèle des phénomènes insoupçonnés
Le traitement de ces données sera colossal : environ 200 millions d’heures de calcul par an, répartis entre plusieurs centres à travers le monde. La France, via le centre de calcul IN2P3, pilotera le centre de traitement sous la responsabilité d’Antoine Petiteau.
Les pulsars : horloges de l’Univers
Notre conférencier change de registre pour aborder les réseaux de chronométrage de pulsars. Contrairement à LISA qui attend son lancement, ces réseaux observent depuis plus de vingt ans et ont obtenu en 2023 un résultat majeur.
Qu’est-ce qu’un pulsar ?
L’histoire des pulsars commence en 1967, lorsque Jocelyn Bell Burnell détecte un signal radio périodique d’une régularité stupéfiante : un pulse toutes les 1,337 secondes. L’explication : une étoile à neutrons en rotation rapide.
Une étoile à neutrons est le cœur effondré d’une étoile massive qui a explosé en supernova. Environ 1,4 fois la masse du Soleil comprimée dans une sphère de 20 kilomètres de diamètre. La conservation du moment angulaire fait que l’étoile tourne très vite — certaines jusqu’à 700 fois par seconde. Son champ magnétique intense canalise des particules chargées, créant des faisceaux d’émission radio qui balaient l’espace comme un phare.
Le principe des réseaux de chronométrage
Si une onde gravitationnelle passe entre nous et un pulsar, elle modifie légèrement le temps d’arrivée des pulses. Cette modification, appelée résidu de temps, est de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Mesurer cet effet avec un seul pulsar est quasi impossible, mais en observant un réseau de dizaines de pulsars, une corrélation spatiale spécifique — la corrélation de Hellings-Downs — peut révéler la présence d’ondes gravitationnelles. Cette fonction, calculée en 1983, décrit précisément comment les résidus de temps doivent se corréler si un fond gravitationnel traverse le système solaire.
La collaboration européenne
La collaboration européenne EPTA regroupe cinq grands radiotélescopes : Nançay (France), Effelsberg (Allemagne), Jodrell Bank (Royaume-Uni), Westerbork (Pays-Bas) et Sardinia (Italie). Plus de 70 chercheurs collaborent à ce projet.
Le radio téléscope de Nancay
En juin 2023, la collaboration européenne annonce la détection d’un signal compatible avec des ondes gravitationnelles, avec un niveau de confiance très élevé : probabilité de fausse alarme inférieure à 1 sur 1 000. Le résultat repose sur 24,7 années cumulées de données collectées auprès de 25 pulsars milliseconde.
Faits marquants :
- Amplitude mesurée : environ 2,5 × 10⁻¹⁵, cohérente avec un fond généré par des binaires de trous noirs supermassifs
- Corrélation de Hellings-Downs : la corrélation entre pulsars suit précisément la forme géométrique prédite en 1983
- Convergence mondiale : simultanément, les collaborations nord-américaine (NANOGrav) [9], australienne et indienne publient des résultats convergents
- Analyse internationale : en septembre 2023, l’IPTA (International Pulsar Timing Array) montre que toutes les mesures concordent, réduisant la probabilité de fausse alarme à moins de 1 sur 10 000
L’origine exacte de ce fond reste partiellement mystérieuse : binaires de trous noirs supermassifs, transitions de phase primordiales, cordes cosmiques ?
La troisième publication de données, attendue en 2026 avec 120 pulsars, devrait confirmer définitivement la découverte et permettre de discriminer entre ces scénarios.
Une symphonie cosmique à trois voix
Pour conclure, Antoine Petiteau projette le spectre complet des ondes gravitationnelles couvert par trois familles d’instruments complémentaires.
Figure : Spectre complet des ondes gravitationnelles en fonction de la période. Les trois bandes de détection : réseaux de pulsars (PTA), interféromètre spatial LISA, et interféromètres terrestres LIGO/Virgo.
Dans les très basses fréquences (nanohertz), les réseaux de pulsars écoutent le fond gravitationnel généré par les trous noirs supermassifs les plus massifs. Ce signal a déjà été détecté.
Dans les fréquences intermédiaires (millihertz), l’interféromètre spatial captera la danse des binaires d’étoiles compactes dans notre galaxie, les fusions de trous noirs de masse intermédiaire, et les dernières heures de vie des binaires supermassives. Il sera lancé en 2035.
Dans les hautes fréquences (hertz), les interféromètres terrestres détectent les collisions rapides de trous noirs stellaires et d’étoiles à neutrons. 368 sources ont déjà été détectées.
« Tout n’est qu’une affaire de distance », résume Antoine Petiteau. Plus les objets sont massifs et lointains, plus leurs ondes sont de basse fréquence. En combinant les trois approches, on couvre l’ensemble de l’orchestre cosmique.
L’ère de l’astronomie multi-messagers
Une avancée majeure est venue en 2017 avec la détection simultanée d’ondes gravitationnelles et de lumière (sursaut gamma, contrepartie optique) provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons (GW170817). Cette observation a confirmé que les fusions d’étoiles à neutrons produisent les éléments lourds (or, platine, uranium) dans l’Univers.
L’interféromètre spatial apportera une dimension nouvelle : grâce à sa capacité à localiser les sources avec une précision de quelques degrés carrés, il pourra envoyer des alertes précoces aux télescopes — parfois plusieurs heures avant la fusion finale. Les grands télescopes comme Athena, le James Webb ou Vera Rubin pourront alors observer l’environnement et combiner deux visions complémentaires.
Et puis il y a l’Univers primordial. Les ondes gravitationnelles traversent toute matière sans interaction et peuvent porter jusqu’à nous des informations sur les transitions de phase cosmologiques, les cordes cosmiques, voire l’inflation elle-même. Observer au-delà du fond diffus cosmologique : ce serait « écouter l’écho du Big Bang lui-même ».
EN RÉSUMÉ
- L’interféromètre spatial, une mission de l’Europe : adoptée en 2024, lancement prévu en 2035. Technologie validée.
- Réseaux de pulsars, une découverte déjà là : détection en 2023 d’un fond d’ondes gravitationnelles (probabilité de fausse alarme < 1/1 000). Confirmation définitive attendue en 2026.
- Complémentarité : les trois bandes de fréquence couvrent l’Univers de manière cohérente, des trous noirs stellaires aux trous noirs supermassifs.
- Rôle français : la France pilote le centre de traitement des données LISA et participe activement à l’EPTA avec le radiotélescope de Nançay.
Antoine Petiteau nous a fait voyager d’Einstein aux pulsars, des laboratoires souterrains aux plaines de Sologne, des fusions de trous noirs aux premières fractions de seconde après le Big Bang. Nous vivons l’âge d’or de l’astronomie gravitationnelle.
Références
[1] Einstein, A. (1916). Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation. Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin, pp. 688-696. arXiv:physics/9905030.
Nous remercions chaleureusement notre conférencier pour son intervention et ses explications passionnantes, ainsi que Bruno P pour le compte-rendu.
@Michel