Dans un laboratoire d’un bâtiment futuriste de Leiden, un jeune ingénieur enfile un bracelet en métal avec un fil noir bouclé. Il s’agit de protéger une boîte métallique fragile de 6 sur 6 sur 3 centimètres contre les chocs électriques. Soigneusement, il tapote la boîte. Sur un écran à côté de lui, des lignes colorées montrent comment vibre la boîte.
À première vue, la boîte n’a rien de spécial. Il est fait de métal gris, brillant et comporte de fins fils qui en sortent. Mais avec cette petite boîte, faisant partie d’un nouveau détecteur spatial, les astronomes veulent apprendre quelque chose sur l’origine du cosmos tout entier. Ils sont à la recherche de la frontière la plus éloignée, des signaux les plus anciens.
Les astronomes savent que l’univers est né du Big Bang. Mais personne ne sait exactement ce qui s’est passé. Nous n’avons pas encore pu regarder aussi loin en arrière.
La limite actuelle de la perception est limitée par la lumière. Parce que la lumière a besoin de temps pour voyager, plus les astronomes regardent profondément l’univers avec leurs télescopes, plus ils regardent loin dans le temps. Seulement, le jeune univers était rempli d’une soupe opaque de plasma chauffé au rouge à haute pression dans laquelle la lumière ne pouvait pas se déplacer librement. Ce n’est que 380 000 ans environ après le Big Bang que l’univers s’est suffisamment refroidi pour devenir transparent à la lumière. Les astronomes appellent cette lumière le rayonnement de fond cosmique. Il n’est pas possible de regarder plus loin que cela. Du moins, pas avec la lumière.
Albert Einstein
Mais dix milliards de milliards de milliards de milliards de secondes après le Big Bang, on pense que de minuscules ondes gravitationnelles ont été envoyées dans l’espace – des ondulations qui compriment le tissu de l’espace et du temps, allongeant et raccourcissant les distances entre tous les corps célestes traversés. Quelque quatorze milliards d’années plus tard, les astronomes tentent de capturer dans l’espace avec le plus grand détecteur spatial jamais construit : l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA) de l’ESA, dont les pièces sont ingénieusement développées à Leiden, se trouvent ici à l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON). ). Si LISA réussit à capturer ces ondes de dix milliards de milliards de billionièmes de seconde après le Big Bang, les astronomes pourront remonter plus loin dans le temps que jamais auparavant. Comment?
Les ondes gravitationnelles sont créées lors d’événements violents tels que la collision de trous noirs, et probablement aussi dans la période violente qui suit immédiatement le big bang. En calculant les conditions dans lesquelles l’onde gravitationnelle est née, les astronomes peuvent étudier l’univers d’une manière différente qu’avec des télescopes qui collectent la lumière.
Les détecteurs sur Terre mesurent déjà les ondes gravitationnelles qui ont été envoyées bien plus tard que le Big Bang. C’était la première fois fin 2015, cent ans après qu’Albert Einstein avait prédit leur existence. Ensuite, les détecteurs américains LIGO ont mesuré une onde gravitationnelle émise lors de la collision de deux trous noirs il y a plus d’un milliard d’années.
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L’idée selon laquelle des ondes gravitationnelles ont également été émises peu après le big bang, alors que l’univers était encore petit et qu’il n’y avait ni étoiles ni planètes, découle de diverses théories physiques. Par exemple, selon les physiciens, l’univers a connu une poussée de croissance courte mais absurdement rapide juste après le big bang. En moins d’une seconde, l’univers a alors eu 10 ans60 fois (soixante zéros) plus grand. Cette soi-disant période d’inflation a été si intense que l’espace-temps a vibré, entraînant des ondes gravitationnelles primordiales, qui entourent encore la terre de tous les coins aujourd’hui.
En plus de l’inflation, il existe une autre théorie dont il résulte que des ondes gravitationnelles ont été émises dans l’univers primitif : lorsque de minuscules trous noirs sont soudainement apparus dans le très jeune univers. Le plasma, la soupe primordiale, n’était pas réparti uniformément partout. Certaines zones où la masse de la soupe primordiale collée ensemble se sont effondrées. Les trous noirs qui auraient pu s’y former ont également provoqué des ondes gravitationnelles.
Nous ne pouvons probablement pas capter ces ondes gravitationnelles qui sont presque aussi anciennes que l’univers lui-même avec des détecteurs sur Terre.
Gijs Nelemans astronome
Il y a un problème, déclare via Zoom l’astronome Gijs Nelemans de l’université Radboud de Nimègue. Nelemans est l’un des dirigeants du consortium néerlandais LISA. « Ces ondes gravitationnelles qui sont presque aussi anciennes que l’univers lui-même ne sont probablement pas possibles avec des détecteurs sur Terre. » C’est possible avec des mesures dans l’espace, explique-t-il.
Nelemans : « Cela est dû aux différentes fréquences des ondes. Les ondes gravitationnelles que LIGO reçoit, par exemple, ont une fréquence élevée, comprise entre 10 et 1 000 hertz (Hz). C’est-à-dire que les pics de l’onde se succèdent rapidement, avec 10 à 1 000 oscillations par seconde. « Mais les ondes gravitationnelles primordiales, lorsqu’elles arrivent sur Terre après leur voyage de 14 milliards d’années, sont complètement étirées par l’expansion de l’univers. » À mesure que l’univers s’étend, les espaces entre les pics des vagues deviennent de plus en plus longs ; la fréquence devient plus petite. Les vagues primordiales peuvent s’étendre sur des millions de kilomètres. « Nous ne savons pas exactement quelle est la taille de ces ondes, mais plusieurs théories prédisent des longueurs d’onde dans la gamme LISA, qui s’intéressera aux ondes longues. »
Un gigantesque détecteur est nécessaire pour capturer les ondes longues. C’est pourquoi LISA part dans l’espace : en orbite autour du soleil à cinquante millions de kilomètres de la terre. LISA est constituée de trois satellites identiques, chacun formant une pointe d’un triangle. Les satellites seront distants de deux millions et demi de kilomètres. Ils envoient des faisceaux laser entre eux et lorsqu’une onde gravitationnelle passe, ces faisceaux sont légèrement étirés ou compressés.
Ces ondes viennent de toutes les directions. Comme une sorte de buzz
Gijs Nelemans astronome
Ces changements dans la longueur des bras seront minuscules, car les ondes gravitationnelles de l’univers naissant sont extrêmement faibles. LISA doit être capable de détecter un changement inférieur à la largeur d’un dixième d’atome dans un bras laser long de 2,5 millions de kilomètres.
L’ultra-sensibilité nécessaire rend la construction de LISA difficile. Tout doit rester extrêmement immobile dans l’espace pour garantir que les bras laser ne se déplacent que par gravité et rien d’autre. Par exemple, les petits propulseurs doivent fournir une contre-pression très précise contre la pression des particules chargées du soleil poussant contre les satellites et contre les mouvements provoqués par les satellites eux-mêmes.
La boîte métallique de SRON est ici importante. Dans le laboratoire de Leyde, le jeune ingénieur René Wanders ouvre la porte d’une sorte de grand four, la chambre climatique. La boîte de 6 x 6 x 3 centimètres est un prototype du composant LISA qui doit lire les changements de longueur des bras laser : le récepteur photo quadrant (QPR). « Ici, nous testons le fonctionnement de la boîte entre les températures les plus basses et les plus élevées auxquelles les composants sont exposés pendant le lancement et après : entre environ zéro et 40 degrés Celsius. » La boîte est composée d’un morceau d’aluminium et d’un morceau de titane, une combinaison qui se dilate peu lorsqu’elle est chauffée.
« Ce que LISA captera sera une sorte de bruit de fond qui fera constamment bouger un peu les bras laser », explique Nelemans. « Les vagues sont originaires d’un petit univers qui s’est ensuite étendu. Ces vagues viennent donc de toutes les directions. Comme une sorte de buzz. Vous ne savez pas ce que dit chaque voix, mais vous pouvez déduire, par exemple, de toutes ces voix réunies si elles proviennent d’enfants ou de personnes âgées.
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Il y a aussi une limite à notre cerveau. Nous n’avons toujours aucune idée de ce que nous devrions physiquement imaginer dans la période qui suivra le Big Bang.
Vincent Iké professeur d’astronomie théorique
Mais si LISA parvient effectivement à absorber le buzz du big bang et à étendre ainsi la limite d’observation la plus lointaine, cela ne signifie pas pour autant que la découverte éclaire réellement la période juste après le big bang. Car non seulement il y a une limite à la distance dans laquelle les astronomes peuvent observer, « il y a aussi une limite à notre cerveau », explique Vincent Icke. Il est professeur d’astronomie théorique à l’Université de Leiden. « Nous n’avons toujours aucune idée de ce que nous devrions imaginer physiquement dans la période qui suivra immédiatement le Big Bang, et certainement pas du tout mathématiquement. »
Les deux outils physiques qui décrivent le monde qui nous entoure, la mécanique quantique pour les petites particules et la relativité générale pour les grosses, entrent en collision pendant cette période. « En théorie quantique, le comportement des particules est indéterminé, c’est-à-dire soumis au hasard. Mais en relativité générale, le comportement de l’espace, du temps et de la matière est strictement fixé. Personne n’a encore réussi à concilier ces qualités opposées. Le conflit est toujours là, mais c’est juste après le Big Bang et à proximité de l’horizon des trous noirs qu’il joue le rôle principal.» Supposons donc que nous parvenions à capturer les ondes gravitationnelles, nous ne savons toujours pas comment les interpréter.
Tandis que les ingénieurs de Leiden, entre autres, développent des parties de LISA, les ingénieurs du Japon, par exemple, travaillent sur d’autres moyens de déplacer la limite d’observation la plus éloignée. Ils travaillent sur un satellite, LiteBIRD. Il ne mesurera pas directement les ondes gravitationnelles primordiales, comme le fait LISA. LiteBIRD recherche les « empreintes » des ondes gravitationnelles dans le rayonnement de fond cosmique.
« Parce que les ondes gravitationnelles déforment l’espace, la lumière qui traverse l’espace change également », explique Rien van de Weijgaert, professeur d’astronomie et d’astrophysique à l’université de Groningue. Un rayon de lumière est une onde qui peut onduler dans différentes directions : horizontale, verticale ou toute autre direction intermédiaire. La lumière du soleil, par exemple, ondule dans toutes les directions, c’est-à-dire qu’elle est « non polarisée ». Mais le rayonnement cosmique du fond micro-onde a été poussé dans une certaine direction par les ondes gravitationnelles, ou est « polarisé ».
Le lancement de LiteBIRD, en 2028, est prévu neuf ans avant celui de LISA. La seule question est de savoir si le satellite sera suffisamment sensible pour mesurer ces changements.
Vide et sombre
Les astronomes et ingénieurs du monde entier construisent des détecteurs pour repousser la limite de détection, « mais l’idée d’une limite de détection est sournoise et complexe dans un univers en expansion », souligne Van de Weijgaert. Il existe différents types d’horizons événementiels qui changent constamment. Les ingénieurs s’efforcent de repousser les limites « techniques » de la détection, mais la zone à partir de laquelle nous pouvons capter les signaux, appelée horizon des événementsdevient de plus en plus petit en raison de l’expansion accélérée de l’univers.
Cela fonctionne comme ceci : « En raison de l’expansion accélérée, les galaxies lointaines se séparent de plus en plus vite. Nous voyons donc que les corps célestes éloignés de la terre s’éloignent de nous de plus en plus vite. Lorsque les corps célestes finissent par s’éloigner de nous à la vitesse de la lumière, nous ne pouvons plus capter leurs signaux, tant les ondes gravitationnelles que la lumière. Ils se situent alors derrière une frontière imaginaire de perception, derrière le horizon des événements. Alors ils seront invisibles pour toujours.
Et parce que l’univers s’étend de plus en plus vite, les galaxies qui sont maintenant relativement proches s’éloigneront un jour aussi de nous trop rapidement pour que nous puissions les observer. Le horizon des événements devient plus petit.
À terme, toutes les galaxies situées en dehors de l’amas de galaxies auquel appartient la Voie Lactée (« notre » galaxie) tomberont derrière l’amas de galaxies. horizon des événements être tiré. Tout autour est vide et sombre. L’amas de galaxies flotte comme une île dans ce qui semble être une mer noire. L’architecture de l’univers ne peut alors plus être étudiée, même si l’on construit des télescopes ou des détecteurs aussi puissants. L’approche de la limite d’observation signifiera un jour la fin de la cosmologie », déclare Van de Weijgaert. Mais cela prendra des milliards d’années.