Les ondes gravitationnelles et le caractère rationnel de l’univers sombre

L’éclair des milliers d’étoiles visibles à l’œil nu nous offre un premier témoignage des distances immenses de l’Univers. En les regardant, nous sommes déjà témoins d’une condition paradoxale : combien est grande, profonde et ancienne la voûte céleste, et pourtant, en la regardant un instant de plus, elle peut être comprise entièrement par notre réflexion – celle des êtres fragiles que nous sommes, vivant pour seulement quelques décennies sur une petite Terre qui semble insignifiante… Et comme peut le prouver toute l’histoire de la pensée, cette constatation paradoxale fait surgir des questions difficiles, en mettant en lumière les facettes d’une condition humaine phénoménale.

Une lecture électromagnétique de l’univers et ses limites

L’exploration du ciel ne s’est pas limitée au seuil naturel de sensibilité visuelle. Il y a plus de 400 ans ont commencé les explorations de l’espace à travers des yeux artificiels, des lunettes ou des télescopes, des dispositifs qui ont offert des images bien meilleures de la voûte céleste. Ont suivi des décennies où les dispositifs d’observation céleste se sont considérablement diversifiés. L’observation de la voûte céleste s’est étendue au-delà du spectre visible par l’intermédiaire de la radioastronomie, de l’astronomie en infrarouge et ultraviolet, en rayons X et gamma, permettant de capter de mieux en mieux la “pluie” continuelle de radiations célestes.

Tout cela s’est basé sur le fait que la lumière porte avec chacune de ses miettes (photons) des données fidèlement enregistrées, sur les conditions dans laquelle elle a été émise, sur les territoires qu’elle a traversés. C’est ainsi qu’une partie importante des événements cosmiques auxquels ont participé les étoiles, les galaxies et l’univers dans son ensemble est gravée dans de minuscules miettes de lumière qui peuvent être perçues par les radiotélescopes et les télescopes, et peut ensuite être décodée, nous permettant sur la base de leurs données de construire la grande description de l’univers.

Mais pendant les dernières décennies, dans le champ de la recherche sont apparus plusieurs thèmes cosmologiques difficiles voire impossibles à éclaircir seulement sur la base des données offertes par la lumière. Par exemple, la radiation électromagnétique ne peut pas traverser sans perte majeure d’information un nuage de poussière interstellaire ou intergalactique dense. De même, il y a des corps qui n’émettent et ne reflètent pas la lumière, comme les trous noirs, ce qui les rend difficiles à détecter. D’autre part, la lumière ne peut pas non plus révéler le passé lointain de l’univers. On sait que, par l’intermédiaire de la lumière, nous “voyageons” dans le passé, en visualisant les événements cosmiques qui ont eu lieu jadis. C’est ainsi que l’on a pu identifier des formations cosmiques très anciennes, situées à de très grandes distances dans l’espace, par conséquent toutes proches du commencement de l’univers. Jusqu’à maintenant, les structures cosmiques les plus éloignées sont situées à environ 300.000 années-lumière après le moment du Big Bang.

Mais là aussi, les observations ne peuvent pas pénétrer à n’importe distance dans le passé si elles sont guidées seulement par la lumière. Les ”traces” de la radiation électromagnétique s’arrêtent devant ce mur, et le modèle cosmologique indique le fait que l’explosion primordiale a été suivie d’une période sombre (Dark Ages), où les photons n’ont pas circulé librement à travers l’espace, ce qui fait que nous n’ayons pas accès à des résidus de radiations qui puissent nous édifier.

La détection des ondes gravitationnelles : découverte du siècle dans les sciences de l’univers ?

Le 14 septembre 2015, quatre premières scientifiques ont ouvert une nouvelle ère dans la recherche de l’espace cosmique ! Les données concernant ces événements ont été seulement rendues publiques le 11 février 2016, après des mois de calculs attentifs et de vérifications répétées. Au final, cela a conduit à l’attribution d’un prix Nobel de physique, en 2017.

Nous sommes très probablement témoins de l’une des découvertes astronomiques les plus importantes des quatre derniers siècles. Il s’agit tout d’abord de la détection des ondes gravitationnelles. Mais en même temps, on a aussi pu enregistrer la première collision entre deux trous noirs – qui a eu lieu il y a plus d’un milliard d’années. Ces accomplissements ont pu être réalisés à l’aide d’un nouvel instrument d’observation astronomique, particulièrement performant. Enfin, cela en fait autant d’éléments qui inaugurent une nouvelle ère dans l’astronomie. Très probablement, dans les années qui viennent, nous n’allons plus regarder le ciel seulement à l’aide de la lumière. Ceci parce que nous pouvons le percevoir aussi à travers une “radiation” complètement différente, par l’intermédiaire des traces provoquées par les ondes gravitationnelles. Il s’agit de la nouvelle astronomie des ondes gravitationnelles, une manière de lecture du cosmos radicalement différente, qui offre une radiographie (une gravitono-graphie) de l’univers, à travers un nouveau registre d’observation.

La gravitation quasi-inconnue : deux défis majeurs

Même si on peut dire que la gravitation est tous les jours à la portée de l’expérience directe, elle a reçu une description mathématique seulement par Isaac Newton (1643-1727), en 1687. Ultérieurement, plus de 250 ans après, en 1915, Einstein (1879-1955) a donné une description géométrique de la gravitation, en la mettant en rapport avec la déformation de l’espace-temps à proximité des corps denses.

Et pourtant, la gravitation est restée une interaction mystérieuse. Pourquoi ? On sait que la physique explique assez bien presque la totalité du monde des phénomènes et des objets observables à travers quatre interactions fondamentales. À côté de la gravitation, il s’agit de trois interactions dont la manifestation est observable dans le monde des petites dimensions : la force électromagnétique, la force nucléaire forte, qui contribue entre autres à la construction des atomes et des molécules, et la force nucléaire faible, qui est présente dans le phénomène de la radioactivité. Conformément aux résultats disponibles jusqu’à présent, à chacune de ces interactions correspond un certain ”paquet” d’énergie (corpuscule), et une onde par l’intermédiaire de laquelle elle se propage, en se manifestant à distance. L’exemple le plus proche est offert par la lumière. Dans ce cas, on connaît bien la particule de la lumière – le photon –, et l’onde électromagnétique qui transporte à distance l’interaction électromagnétique. Eh bien, si pour chacune de ces trois interactions (électromagnétique, nucléaire forte et faible) on connaît les ondes et les corpuscules respectifs, ces éléments manquaient pour la gravitation. Plus concrètement, le graviton et les ondes gravitationnelles n’ont pas encore été mis en évidence.

Mais la découverte récemment annoncée pourrait représenter un pas significatif dans cette démarche.

Quelques événements cosmiques et leurs empreintes gravitationnelles

Conformément à la théorie de la gravitation formulée par Einstein, toute modification brusque de la densité de masse dans un endroit dans l’espace détermine des changements brusques dans la manifestation de la gravitation. Parce qu’ils sont extrêmement denses, les trous noirs par exemple exercent une forte déformation de l’espace-temps dans leur voisinage. Ensuite, la même théorie prédisait l’existence de systèmes de black-hole, où les trois noirs tournent l’un autour de l’autre. Plus encore, la théorie prévoit pour ce genre de situations la possibilité que les deux trous noirs se heurtent. Après avoir tourné pendant longtemps, les trous noirs se rapprochent, en accélérant de plus en plus, et atteignent au moment de la collision la moitié de la vitesse de la lumière, engendrant une vague d’ondes gravitationnelles !

Pourtant, même si elle est prédite par la théorie, la collision de deux trous noirs n’a jamais été observée.

Deux premières dans l’astronomie : les ondes gravitationnelles et la fusion des trous noirs

En septembre 2015, le détecteur LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), construit pour détecter les ondes gravitationnelles, a détecté un tel signal qui semble provenir de la collision de deux trous noirs !

Constitué de deux tunnels (chacun de 4 km de long), disposés perpendiculairement, LIGO utilise le laser pour les observations. En principe, LIGO mesure les perturbations dans la feuille d’espace-temps par l’intermédiaire d’un rayon laser qui se déplace en avant et en arrière, le long des deux bras du tunnel (en réalité, des tubes d’un diamètre d’approximativement 1 mètre, contenant un vide presque parfait).

Si une collision de deux trous noirs avait lieu, les vagues (les perturbations) du champ gravitationnel pourraient être mises en évidence à leur passage dans le détecteur LIGO. En d’autres termes, l’onde gravitationnelle comprime et dilate l’espace-temps, en affectant par là la distance que le rayon laser traverse le long des deux bras de tunnel. C’est ce qu’a détecté LIGO en septembre 2015, et ce qui représente, selon les annonces officielles, une détection des ondes gravitationnelles.

Une troisième nouveauté : une précision extraordinaire

Plus encore, par la procédure utilisée par la détecteur LIGO, on a découvert que les ondes gravitationnelles, telles la lumière, contiennent des données très précieuses sur l’univers. Sur la base de la fréquence du signal perçu, les calculs ont montré que l’onde enregistrée provient de la collision de deux trous noirs ayant eu respectivement 29 et 36 masses solaires, et qui se sont heurtés à une vitesse comparable à la vitesse de la lumière ! Plus encore, leur collision a été si violente que, en une fraction de seconde, 3 masses solaires ont été converties en énergie gravitationnelle, en attirant une puissance maximale d’environ 50 fois plus grande que tout l’univers visible !

Les calculs montrent que l’onde gravitationnelle a traversé une distance immense, de plus d’un milliard d’années-lumière (l’équivalent de 5000 galaxies comme la Voie Lactée mises l’une à côté de l’autre), pouvant ensuite être détectée dans les tunnels de LIGO. Les traces de cette collision gigantesque se sont gravées dans l’espace-temps et se sont propagées jusqu’à nous, sous la forme d’une perturbation extrêmement fine. Et après avoir parcouru une distance inimaginable, les données précieuses sur l’événement qui les a générées ne se sont pas effacées ! Concrètement, dans les 4 km (mesurés par chacun des deux tunnels), la distorsion de l’espace-temps apparue dans la longueur traversée par la rayon laser a représenté le dix millième du diamètre d’un proton (10^-19 m)! Par une comparaison peut-être plus suggestive, on pourrait dire que LIGO a eu une précision de mesure équivalente à celle qui calculerait la distance entre le Soleil et l’étoile la plus proche (Proxima Centauri), à savoir 4 années-lumière, avec une erreur inférieure à l’épaisseur d’un cheveu !¹

La quatrième nouveauté : l’exploration de l’univers sombre à travers les ondes gravitationnelles

En percevant et en décodant les ondes gravitationnelles, l’astrophysique entre dans une nouvelle ère, qui dévoile la partie sombre de l’Univers, normalement invisible pour les télescopes qui utilisent seulement des senseurs adéquats pour la radiation électromagnétique. Ceci est une chance extraordinaire, en sachant que la matière noire (dark matter) et l’énergie noire (dark energy) – très difficiles à examiner par l’intermédiaire de la lumière, représentent 96% de tout l’Univers observable ! On constate maintenant que les ondes gravitationnelles sont de nouveaux ”réflecteurs”, qui mettent à jour aussi cet univers sombre.

Comme on pouvait s’y attendre pour une découverte d’une telle envergure, les premiers contestataires sont également apparus. Il s’agit de noms consacrés du domaine de la recherche de l’univers, des personnes qui affirment qu’il s’agit seulement de quelques coïncidences d’ordre numérique, des données qui ne prouvent pas encore par des évidences physiques incontestables l’existence des ondes gravitationnelles². Mais la science n’a pas un meilleur chemin vers la validation d’une découverte que les contestations qui sollicitent toujours de nouvelles preuves, toujours meilleures. Dans les mois à venir, de plus en plus de mesures et de données seront collectées, afin de vérifier si cette découverte cruciale se soutient, avec tout ce qui vient d’être dit ici. Mais quelle que soit la marche des choses, un pas considérable a été fait en direction de la détection des ondes gravitationnelles.

Une réflexion possible concernant l’intelligibilité phénoménale de l’univers

Lorsque notre regard rencontre un territoire que nous ne pouvons pas embrasser en entier, nous sommes poussés vers une réflexion essentielle, liée au monde et à la vie. C’est merveilleux de ne pas avoir une année entière de ciel nuageux, qui couvre en permanence l’éclat des astres. Parce que dans toute parcelle de ciel bleu, la voûte accomplit sa vocation, de nous inviter à une disposition métaphysique rare, à une réflexion concernant ce qui se situe au-delà de son seuil.

Les données de la connaissance scientifique pourraient-elles rendre la vie plus complète, si elles ne suscitaient pas des réflexions la concernant ? En suivant une démarche familière aux saints Pères, suggérée aujourd’hui aussi par l’approche de la phénoménologie française, nous pourrions chercher en deçà et au-delà de chaque question irrésistible, portant sur le monde et la vie, quelque chose d’essentiellement humain. Nous pourrions examiner, en deçà et au-delà de chaque effort qui accompagne la découverte d’une réponse, ou dans la partie cachée des mathématiques construites par la pensée, ou sous les miraculeuses intuitions humaines confirmées parfois jusque dans les détails dans les structures ordonnées de l’univers physique ; nous pourrions chercher là-dedans quelque chose d’essentiel concernant la condition de la vie dans le monde.

Nous pouvons formuler des questions et chercher des réponses, nous pouvons imaginer des procédés de vérification des découvertes et nous pouvons transmettre les découvertes aux prochaines générations, pour que leur progrès dans la connaissance continue. Même si ceci paraît commun pour chacun, il s’agit d’un fond fascinant de la condition humaine, sur lequel on n’a pas suffisamment réfléchi.

Ce qui est « très bon » est voué à rendre l’homme meilleur

La découverte des ondes gravitationnelles et leur utilisation dans la perception et la compréhension de l’univers dévoile une nouvelle facette du caractère rationnel du monde. L’univers n’est pas raconté seulement à travers la lumière, mais par toutes les manifestations de ses interactions. Le caractère rationnel du monde se rend évident dans toutes les manifestations du monde sensible, chacune pouvant abriter des sens édifiants pour l’homme.

Ce ne sont pas seulement les miettes de lumière qui transportent des informations précieuses sur le monde où nous vivons, en éclairant l’Univers, en le rendant intelligible à la lumière de l’esprit humain. Les ondes gravitationnelles aussi le dévoilent, sous une forme nouvelle, complémentaire, en encourageant l’avancée des explorations humaines dans son abysse. L’Univers n’est pas seulement imprimé dans la lumière, les événements gravitationnels laissent également des signes spécifiques dans la feuille d’espace-temps, comme une écriture codifiée, intelligible pour l’homme. La partie de l’univers qui n’est pas saisissable par la lumière ne reste pas complètement inaccessible. Elle est imprimée, comme celle qui est visible dans les miettes de lumière, sous la forme de broderies fixées dans le tissu de l’espace-temps.

Et de manière mystérieuse, la lumière y est également présente, parce que le fragile fascicule laser, qui enregistre les déformations de l’espace, annonce le passage discret des ondes gravitationnelles !

Nous pourrions entrevoir ici, sur les traces de la réflexion philosophique et patristique, une “langue” de l’univers, avec des phénomènes physiques, adressée à l’homme, une invitation pour chercher des réponses concernant son caractère rationnel, pour l’élévation de l’esprit vers des recherches et des compréhensions de plus en plus larges, qui visent le sens de la vie. En élevant notre regard vers le ciel ouvert, la pensée s’élève vers le ciel intelligible, ouvert aussi à l’esprit humain. En levant les yeux, l’esprit s’élève vers des réflexions de plus en plus amples, et nous attire, par le monde sensible, nous faisant quitter la dimension horizontale, vers l’altitude plus grande des sens existentiels, où l’on entrevoit le don merveilleux de la vie et la force merveilleuse de la connaissance.

Tout cela mérite au moins un instant d’émerveillement. Ne serait-ce que de penser que l’émerveillement et l’admiration sont bénéfiques pour l’homme, et non seulement sur un plan spirituel³. En nous situant dans un rapport adéquat avec l’univers, en donnant à notre être le répit de percevoir le spectacle de la vie et de vivre le frisson des grandes questions qui naissent en nous à sa rencontre, on n’est pas loin de constater que le monde et la vie aussi présentent d’évidentes valences thérapeutiques ! C’est pourquoi la constatation de la beauté de l’univers et l’élévation de la pensée vers les questions plus larges de la vie, sont complétées par l’élévation de la personne elle-même vers une vie plus ouverte vers ses semblables. Parce que la connaissance de ce qui est créé, et l’émerveillement qui naît de cette perception sont accomplis aussi seulement dans notre témoignage de bonté les uns envers les autres, car tout ce qui a été créé fut ”très bon” (Genèse1, 31), et a été confié à l’homme !

Diacre Adrian Sorin Mihalache

Notes :