Comment utiliser la Lune comme détecteur d’ondes gravitationnelles

Au cours du siècle dernier, une succession de télescopes nouvellement inventés nous a donné un ensemble d’yeux en expansion pour capturer la lumière passée des cieux afin de reconstituer l’histoire de l’Univers. Aujourd’hui, nous commençons tout juste à introduire une toute nouvelle classe de télescopes dans le jeu : les télescopes à gravité, qui mesurent les ondes dans le tissu de l’espace-temps lui-même. Ces télescopes sont extraordinairement difficiles et coûteux à construire. Et un nouvel article audacieux propose qu’au lieu de construire un télescope gravimétrique herculéen, nous devrions utiliser la Lune pour scruter les origines de l’Univers.

L’astrophysique et la cosmologie sont entièrement fondées sur des observations de l’Univers faites par des télescopes détectant les ondes d’objets lointains. Les télescopes à rayons X détectent les trous noirs et les étoiles à neutrons en rotation balayant l’espace avec des faisceaux féroces à haute énergie (pulsars). Les ondes ultraviolettes et visibles révèlent le cycle de vie stellaire et l’expansion de l’Univers. Des instruments comme Hubble créent des photographies infrarouges pour scruter profondément les nébuleuses et repérer les exoplanètes chaudes. La lumière des micro-ondes révèle l’âge de l’Univers. Ces mesures échantillonnent un vaste spectre d’ondes électromagnétiques, qui possèdent toutes la même structure sous-jacente.

Ondes gravitationnelles

L’astronomie des ondes gravitationnelles (GW) mesure les ondulations dans l’espace-temps lui-même. Contrairement à la plupart des champs d’astronomie électromagnétique, l’astronomie GW est extrêmement jeune.

Les premières ondes de gravité ont été détectées en 2015. Elles ont été produites par l’inspiration, la fusion et la descente de deux trous noirs qui se sont heurtés il y a un milliard d’années. La perturbation dans l’espace-temps qui a atteint la Terre à partir de cette GW n’était que d’environ un millième de la largeur d’un proton, et pourtant l’Observatoire d’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO) a pu la voir. Cette réalisation étonnante a immédiatement valu le prix Nobel de physique.

Toutes les ondes gravitationnelles ne sont pas identiques

Cette première découverte n’est que la pointe de l’iceberg. Des ondes gravitationnelles de fréquences, d’amplitudes et de formes variables se répercutent dans tout l’Univers. Tout comme une gamme de processus émettent des signaux dans tout le spectre électromagnétique, une large gamme de phénomènes astrophysiques et cosmologiques produisent des signatures de spectre GW variables. Nous arrivons ici à un nouvel article publié la semaine dernière dans la revue de physique très respectée Lettres d’examen physique. (Vous pouvez lire une version gratuite ici.)

L’article souligne qu’une bande de fréquence GW particulière – environ un microhertz (ou un pic d’onde par million de secondes) – peut être utilisée, entre autres, pour contraindre quelque chose appelé fond d’onde gravitationnelle stochastique. Il s’agit du bruit de fond des signaux GW, constitué d’ondes faibles et aléatoires de différents types, toutes mélangées. C’est comme le son statique d’une radio désaccordée ou l’image scintillante de la neige grise sur un téléviseur analogique sans signal d’entrée.

La mesure du niveau de ce bruit de fond GW peut permettre aux cosmologistes de voir ce que l’on appelle les transitions de phase cosmologiques du premier ordre. Au tout début de l’histoire de l’Univers (quand il avait moins d’une seconde), tant d’énergie était contenue dans un si petit volume que les particules et les forces que nous connaissons aujourd’hui ne pouvaient pas exister. Une ou plusieurs transitions de phase auraient pu se produire au fur et à mesure que l’Univers se refroidissait et se dilatait, suffisamment pour que les particules que nous connaissons aujourd’hui se condensent et se refroidissent – comme des gouttelettes d’eau se condensant à partir de l’air brumeux. Les particules nouvellement formées ont alors commencé à interagir sous les directives des quatre forces fondamentales sur lesquelles l’Univers moderne semble être gouverné.

Le passage de ce bruit de fond GW peut être détecté dans de très petites déviations des orbites des corps célestes. L’article propose trois ensembles de corps en orbite qui peuvent être sondés pour analyser les signaux GW qu’ils recherchent. C’est là que figure la Lune, ainsi qu’un satellite intéressant dont vous n’avez probablement jamais entendu parler.

Rétroréflexion

Pour mesurer la distance à un objet céleste, les scientifiques peuvent envoyer une impulsion laser depuis la surface de la Terre vers l’espace. Les photons émis par le laser se déplacent en ligne droite à la vitesse de la lumière jusqu’à ce qu’ils touchent quelque chose. Si un photon est réfléchi directement en retour, on peut mesurer le temps de l’aller-retour : diviser ce temps par c et vous avez parcouru la distance. Divisez à nouveau en deux, et c’est la distance à l’objet céleste. Il se trouve que nous avons placé des réflecteurs spéciaux spécialement conçus à cet effet sur deux corps en orbite autour de la Terre : la Lune et le satellite LAGEOS.

La lune abrite cinq réflecteurs, placés par les astronautes d’Apollo et deux atterrisseurs soviétiques sans pilote. Ceux-ci sont rétroréflecteurs, spécialement conçu et soigneusement usiné pour refléter la lumière exactement dans la même direction d’où elle vient. Un voyage sur la Lune qui a pris trois jours à un astronaute prend un photon un peu plus d’une seconde. À l’aide de ces rétroréflecteurs, la distance Terre-Lune a été mesurée en continu à moins d’un pouce (!) Depuis 50 ans.

LAGEOS est une sphère artificielle lancée en orbite dans les années 1970, sa surface ornée de 426 rétroréflecteurs. C’est un satellite extrêmement simple, ne nécessitant ni pièces mobiles, ni source d’énergie, ni communication. Le seul travail de LAGEOS est de rétroréfléchir.

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L’article prédit que si la distance de la Lune à la Terre peut être mesurée à environ 0,1 mm (quatre millièmes de pouce), alors nous pourrons peut-être voir des fluctuations qui peuvent révéler le bruit de fond GW de l’Univers en refroidissement. Les auteurs pensent que la mesure est probablement possible avec la technologie actuelle. Une analyse similaire peut être possible avec LAGEOS.

Une proposition récente d’un nouveau télescope capable de la même mesure suggère une constellation de six engins spatiaux garés à des centaines de millions de kilomètres l’un de l’autre. Mais pourquoi le construire alors que nous avons la Lune ?

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