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Eléments généraux sur la Gravitation

La gravitation est l’une des quatre interactions fondamentales de la physique. C’est Isaac Newton qui, le premier, en a formulé la loi : deux corps ponctuels de masses m et m′, situés à une distance r l’un de l’autre, s’attirent avec une force dirigée selon la droite qui les joint ; l’intensité de cette force est proportionnelle aux masses et inversement proportionnelle au carré de la distance : F = G.mm′/r2 (G = 6,672.10−11 N.m2.kg−2 est la constante de gravitation ; c’est une des constantes universelles).

Historiquement, l’importance de la loi de gravitation a été considérable : elle a permis d’unifier les théories de la chute des corps (énoncée par Galilée) et du mouvement des planètes et des astres (formulée par Johannes Kepler), donnant ainsi à l’astronomie des fondements quantitatifs clairs.

Depuis 1915 et grâce aux travaux d’Albert Einstein, la gravitation est interprétée comme une courbure de l’espace-temps produite par la présence de masse. La gravitation est le phénomène prépondérant qui commande l’évolution de la matière dans l’Univers, parce que les masses en jeu y sont très grandes. Ainsi, les nuages de gaz suffisamment massifs se contractent en formant des étoiles et des galaxies. Après épuisement de leurs réserves en « combustible » nucléaire, les étoiles s’effondrent sous l’effet de leur propre gravité, qu’aucune autre force ne vient plus contrebalancer. Le terme ultime d’une telle évolution est la formation d’un trou noir.

La théorie de la relativité générale prévoit l’existence d’ondes gravitationnelles, qui jusqu’à présent n’ont été observées que de manière indirecte, ainsi que la déviation des rayons lumineux passant au voisinage de masses très importantes, phénomène effectivement décelé sur la lumière de certaines étoiles lors d’éclipses totales de Soleil et grâce auquel certains astres très lointains (galaxies, quasars) situés à l’arrière-plan de galaxies plus proches deviennent observables (mirage gravitationnel).

Depuis 2016, le résultat est acquis : l’existence des ondes gravitationnelles est avérée par l’observation. Ce résultat a été obtenu en deux étapes. Une première étape a été franchie en 1975, avec la découverte du pulsar binaire PSR B1913+16. Russell A. Hulse et Joseph H. Taylor, en mesurant l’évolution de sa période orbitale, ont mis en évidence une courbe de décroissance de cette période correspondant précisément à ce que prévoit la relativité générale en considérant que ce système perd son énergie par émission gravitationnelle. Ce premier indice, indirect, en faveur de l’existence des ondes gravitationnelles valut aux deux chercheurs américains le prix Nobel de physique en 1993. Les ondes elles mêmes ont été observées pour la première fois le 14 septembre 2015 : deux détecteurs LIGO — situés dans l’État de Washington et en Louisiane — ont enregistré des signaux en coïncidence qui correspondent exactement à ceux émis lors de la coalescence de deux trous noirs d’environ 30 masses solaires chacun et situés à une distance comprise entre 0,750 et 1,9 milliard d’années-lumière. Les chercheurs des collaborations LIGO et VIRGO l’ont annoncé lors de conférences de presses simultanées à Washington, Paris et Cascina le 11 février 2016.

L’observation des ondes gravitationnelles signe aussi le succès des détecteurs interférométriques et leur capacité à détecter d’infimes variations de distance : lors du passage de l’onde gravitationnelle de GW150914, les miroirs des cavités des interféromètres de LIGO ont subi un déplacement maximal de 2.10^-18 m, un millier de fois inférieur à la taille du proton.

Si l’on tient compte du fait que les ondes gravitationnelles ne sont pas arrêtées par la matière comme le sont les ondes électromagnétiques, les astrophysiciens disposent désormais avec elles d’un champ nouveau d’observation qui leur permettra de « voir » certains aspects de l’univers à grande échelle, et notamment de se rapprocher de ses débuts, jusqu’alors inaccessibles, allant du big bang à 380 000 ans.

En revanche, l’existence des ondes gravitationnelles laisse ouverte la question de l’existence du graviton, une particule élémentaire dont certaines théories spéculatives de gravité quantique impliquent l’existence en association avec la gravitation (à l’instar du photon associé à l’électromagnétisme) : cette particule reste hypothétique.

Les éléments précédents sont issus de l’Encyclopédie Larousse et de Wikipedia. 

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