Ondes gravitationnelles : une anomalie ouvre la voie à un phénomène inédit

Des chercheur·es de l’UCLouvain, membres de la collaboration internationale LIGO-Virgo-KAGRA, étudient actuellement un signal d’onde gravitationnelle tout à fait atypique détecté récemment.

Cette anomalie, qui doit encore être confirmée, pourrait correspondre à un phénomène jamais observé jusqu’ici : la déformation d’une onde gravitationnelle par un objet extrêmement massif rencontré sur son parcours. Une hypothèse prometteuse qui place l’UCLouvain au cœur d’une avancée potentiellement majeure en astrophysique.

Au début du XXᵉ siècle, Albert Einstein bouleversait notre compréhension de la gravité en la décrivant non plus comme une force, mais comme une déformation de l’espace-temps provoquée par la présence d’objets massifs à l’image d’une boule de bowling déformant la surface d’un trampoline. Il prédisait également que la collision d’astres très denses, tels que des trous noirs ou des étoiles à neutrons, engendre des vibrations de cette « toile cosmique » : les ondes gravitationnelles. Celles-ci étirent et compriment l’espace-temps lors de leur passage, de manière comparable aux vagues qui se forment à la surface de l’eau après le lancer d’un caillou.

Pour détecter ces ondes, les scientifiques s’appuient sur d’immenses instruments en forme de L : deux aux États-Unis (LIGO), un en Europe (Virgo) et un au Japon (KAGRA). Des faisceaux laser y parcourent de longs tunnels perpendiculaires ; la moindre variation de leur longueur signale le passage d’une onde gravitationnelle. Afin d’en confirmer l’origine cosmique, le signal doit généralement être observé simultanément par plusieurs détecteurs.

Depuis la première détection en 2015, les campagnes d’observation ont permis d’identifier des centaines de collisions d’objets compacts. L’amélioration continue de la sensibilité des instruments ouvre désormais la porte à l’étude de phénomènes beaucoup plus rares, comme la déformation d’une onde gravitationnelle par un objet massif un effet analogue à la déviation de la lumière autour d’une galaxie. C’est précisément ce type de signal inhabituel que les équipes de l’UCLouvain analysent actuellement.

Un signal hors norme

Lors de la quatrième campagne d’observation, achevée le 19 novembre, les détecteurs LIGO ont enregistré un événement particulièrement bref impliquant les trous noirs les plus massifs jamais observés par ces instruments. Au-delà de cette masse exceptionnelle, plusieurs caractéristiques du signal intriguent les scientifiques. Comme l’explique Justin Janquart, professeur à l’École de physique et chercheur au Centre for Cosmology, Particle Physics and Phenomenologyde l’UCLouvain :

« C’est la première fois que nous observons un signal qui ne correspond pas aux schémas habituels. »

Certains paramètres du signal varient selon les modèles utilisés, un comportement inhabituel qui pourrait s’expliquer par un phénomène de lentillage gravitationnel (lensing) : la déformation de l’onde par un objet massif situé sur sa trajectoire. Une première dans le domaine des ondes gravitationnelles. La prudence reste toutefois de mise. L’équipe de l’UCLouvain, spécialisée dans l’analyse de ce type de signaux, coordonne une partie des travaux sur le lensing au sein de la collaboration et joue un rôle clé dans l’évaluation des différentes hypothèses. Cela implique un travail rigoureux : comparaison de modèles, identification des sources de bruit et examen des scénarios astrophysiques plausibles.

À ce stade, les conclusions sont mesurées mais encourageantes : « L’hypothèse du lentillage ne peut pas être exclue », souligne Justin Janquart. Si les signatures observées sont bien d’origine astrophysique, d’autres événements similaires pourraient être détectés lors des prochaines campagnes.

La confirmation d’un tel phénomène aurait des implications considérables. Le lentillage gravitationnel des ondes pourrait notamment fournir de nouvelles informations sur la distribution de la matière dans l’Univers, révéler l’existence d’objets massifs invisibles, éclairer les mécanismes de formation des trous noirs, voire apporter des indices sur la nature de la matière noire.

« Une nouvelle porte s’ouvre. Nous pouvons commencer à poser des questions fondamentales. À mes yeux, il s’agit d’un moment clé dans l’histoire des observations », conclut le chercheur. Même si une autre explication venait à s’imposer, cet événement demeure exceptionnel par sa rareté et sa masse, et les recherches menées autour du lentillage permettront sans aucun doute d’améliorer l’identification de ce phénomène à l’avenir.