Rainer Weiss : 50 ans de LIGO et des ondes gravitationnelles

Terre-à-terre, modeste et désireux de discuter de ses recherches, le physicien Rainer Weiss est remarquablement facile à parler. Il y a cinq ans, son travail lui rapportait la moitié du Prix ​​Nobel de physique 2017, l'autre moitié revenant à Barry Barish et Kip Thorne, pour « leurs contributions décisives au détecteur LIGO et à l'observation des ondes gravitationnelles ». La société basée aux États-Unis Interféromètre laser Observatoire des ondes gravitationnelles (LIGO) C’est là que les ondes gravitationnelles ont été observées pour la première fois en 2015, confirmant définitivement la dernière prédiction non testée de la théorie centenaire de la relativité générale d’Albert Einstein.

Même s’il présageait leur existence, Einstein lui-même doutait que ces ondes soient un jour observables car elles sont extrêmement faibles. L’idée révolutionnaire de Weiss consistant à utiliser l’interférométrie laser a finalement permis que première observation – des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs, à 1.3 milliard d’années-lumière de la Terre – et bien d’autres que LIGO a depuis détectés. Il a fallu des décennies d’efforts de la part de Weiss, de ses collègues du prix Nobel et de nombreux autres, et cette découverte a représenté un sommet en physique qui a également marqué le début d’une nouvelle ère en astronomie. Depuis l’avènement de l’astronomie observationnelle, nous avons scruté l’univers principalement en observant d’abord la lumière visible, puis un large spectre d’ondes électromagnétiques. Les ondes gravitationnelles étaient désormais en mesure de fournir une nouvelle façon de sonder de nombreux phénomènes cosmiques. Sept ans seulement après la naissance de l’astronomie gravitationnelle, elle a déjà produit de nouvelles connaissances très précieuses.

De l’Allemagne nazie aux États-Unis, en passant par Prague

Chacun des trois lauréats du prix Nobel a suivi sa propre trajectoire vers ces succès. Le parcours de Weiss montre comment se forment des physiciens expérimentaux talentueux, comment de nouvelles idées scientifiques peuvent surgir de directions inattendues et combien il faut de la persévérance pour mener à bien une expérience de physique à grande échelle.

Weiss est né à Berlin, en Allemagne, le 29 septembre 1932, lors de l'accession au pouvoir des nazis. Le père de Weiss, Frederick, que Rainer décrit comme « un communiste ardent et idéaliste » dès son plus jeune âge, était médecin. En tant que juif et communiste antinazi, qui avait témoigné contre un médecin nazi accusé de faute professionnelle, Frederick fut arrêté par les nazis alors que la mère de Rainer, Gertrude, était enceinte de lui. À la demande de son épouse chrétienne, dont la famille avait des contacts locaux, Frédéric fut libéré et envoyé à Prague. Une fois Rainer né, Gertrude a voyagé avec son nouveau bébé pour rejoindre Frederick en Tchécoslovaquie, où le couple a eu un autre enfant, Sybille, en 1937.

Mais lorsque les accords de Munich de 1938 autorisèrent les troupes allemandes à entrer en Tchécoslovaquie, la famille dut à nouveau s'enfuir. "Nous avons entendu la décision à la radio pendant nos vacances en Slovaquie et nous avons rejoint un grand groupe de personnes se dirigeant vers Prague pour tenter d'obtenir un visa pour émigrer presque partout ailleurs dans le monde qui accepterait les Juifs", se souvient Rainer dans sa biographie Nobel. . La famille a déménagé aux États-Unis en 1939. En vertu de la loi sur l'immigration de l'époque, cela n'était possible que grâce à la profession de Frederick et parce qu'une « femme très merveilleuse », comme l'appelle Weiss, de la famille philanthropique Stix de St Louis, a déposé une caution. pour garantir que les Weisse ne seraient pas un fardeau pour la communauté.

Weiss a grandi à New York, où il a d'abord fréquenté l'école publique. En cinquième année, il a reçu une bourse, via une organisation locale d'aide aux réfugiés, pour rejoindre Lycée de Colombie – une école privée au centre de Manhattan, qui était autrefois associée à la préparation des étudiants à L'Université de Columbia. La musique, la science et l'histoire étaient ses cours préférés et, adolescent, il construisait des systèmes audio haute fidélité ou « hi-fi » sur mesure pour les amateurs de musique classique.

Cet intérêt et sa propre curiosité l’ont finalement amené à la physique. À la recherche d'une reproduction sonore parfaite, Weiss a essayé d'éliminer électroniquement le bruit de fond produit par une aiguille de phonographe lorsqu'elle se déplace le long du sillon d'un disque à l'ancienne, qui gâchait la musique. Mais ses efforts ont échoué et il a décidé d’aller à l’université pour en apprendre suffisamment pour lui permettre de résoudre le problème. Cette éducation a commencé à Massachusetts Institute of Technology (MIT) dès 1950.

De l'électronique à la physique, par un détour

En tant qu'étudiant en génie électrique au MIT, Weiss devait se renseigner sur les générateurs et les lignes de transmission avant de pouvoir étudier l'électronique qui l'intéressait vraiment. Ce programme rigide n'était pas à son goût, c'est pourquoi il s'est tourné en deuxième année vers la physique, car « il y avait moins d'exigences » et un programme plus flexible. Mais cela n’a pas non plus fonctionné immédiatement. En 1952, Weiss tombe amoureux d'une jeune femme pianiste. La relation ne s’est pas bien terminée et, le cœur brisé, Weiss a échoué à tous ses cours et a dû quitter le MIT.

Mais tout n'a pas été perdu. Au printemps 1953, il retourna au MIT en tant que technicien travaillant dans le Laboratoire de faisceaux atomiques du physicien Jerrold Zacharias, qui avait développé la première horloge atomique. « La science réalisée dans ce laboratoire était exquise », se souvient Weiss. « Les expériences là-bas examinaient les propriétés d’atomes isolés et de molécules non perturbées par les systèmes voisins. Chaque atome était identique au suivant et il était possible de poser des questions fondamentales sur leur structure et les interactions qui les maintenaient ensemble. Ce qui a commencé comme un rôle d'aide aux étudiants diplômés dans leurs projets de thèse a finalement conduit Weiss à travailler directement avec Zacharias sur le développement du horloge à faisceau atomique au césium, qui deviendra finalement adopté comme norme de temps par le Bureau of Standards (maintenant l'Institut national des normes et de la technologie) et par l'US Navy.

Sous le mentorat de Zacharias, Weiss a complété son licence de physique, puis doctorat en 1962, et j'ai découvert l'expérimentation de haute précision, un fil conducteur qui a conduit à LIGO. Un autre thème clé est apparu lorsque Weiss a travaillé comme associé de recherche auprès d'un astronome et physicien. Robert Dicke à l'Université de Princeton, que Weiss appelle « l’un des héros de ma vie ». Dicke et Weiss ont étudié la possibilité de développer une version moderne du Expérience Eötvös, pour comprendre le principe d'équivalence de la relativité générale en prouvant l'équivalence de la masse inertielle et gravitationnelle. Alors que la nouvelle théorie de la gravitation de Dicke combinait un champ scalaire avec le champ tensoriel de la relativité générale, son idée était de construire une expérience qui pourrait mesurer la façon dont la Terre entière vibrerait si une onde gravitationnelle passait. Le but de l’expérience était de mesurer le spectre du rayonnement gravitationnel scalaire, mais ils ont constaté que la sensibilité de leur gravimètre à quartz était sévèrement limitée en raison du bruit géophysique. Malgré l'échec de l'étude, Weiss a appris des techniques expérimentales que Dicke avait mises au point et qui se révéleraient finalement essentielles pour LIGO, ainsi que pour de nombreuses autres expériences de physique. En effet, Weiss a trouvé que ces deux années à Princeton « ont été profondément importantes dans mon développement scientifique ».

Après avoir rejoint la faculté de physique du MIT en tant que professeur assistant en 1964, Weiss a travaillé sur un projet cosmologique qui mesurait le spectre du fond diffus cosmologique (CMB), la relique du Big Bang qui remplit encore l'univers. Il a contribué aux recherches établissant que le CMB suit une courbe de corps noir pratiquement parfaite avec une température source de 2.7K – dont la découverte a conduit à un Prix ​​Nobel 2006 pour les principaux scientifiques, John Mather et George Smoot.

Mesurer la gravité dans une salle de classe

Weiss a continué à réfléchir aux ondes gravitationnelles, notamment lorsqu'on lui a demandé de donner un cours sur la relativité générale au MIT. Cela n'a pas été facile. Les mathématiques de la relativité générale sont intimidantes, et les cours qui enseignaient ce sujet étaient plus mathématiques que physiques. En discutant aujourd’hui, Weiss déclare : « Je ne suis pas un théoricien. Je suis plombier… un plombier sous vide, un plombier électronique, mais un plombier. Lui et ses élèves ont donc appris les mathématiques ensemble – mais, contre toute attente, son bagage expérimental est devenu très important.

Comme l'explique Weiss, à cette époque Joseph Weber de l'Université du Maryland essayait de détecter les ondes gravitationnelles en mesurant le changement de longueur de gros cylindres en aluminium au fur et à mesure du passage d'une vague. Lorsque les étudiants ont interrogé Weiss sur de telles mesures, il a proposé une méthode pédagogique esprit expérience pour montrer en principe comment ils pourraient être fabriqués. Placez deux masses à une certaine distance dans un espace libre, l'une avec un laser pulsé et l'autre avec un miroir. Mesurez maintenant le temps de trajet aller-retour de la lumière laser – et donc la distance. Si une onde gravitationnelle passant modifie la distance, des mesures temporelles suffisamment précises montreraient l’effet. Étant donné que toutes les mesures sont effectuées à l’emplacement spatio-temporel du laser, le calcul de la relativité générale devient simple – en fait, Weiss l’a classé comme problème de classe.

La prétendue détection des ondes gravitationnelles par Weber en 1969 n’a jamais été reproduite, mais l’exemple inspiré par son travail est devenu LIGO. Weiss a amélioré l'idée originale en ajoutant un deuxième trajet de faisceau avec un miroir à une extrémité, placé perpendiculairement au premier trajet en forme de « L » avec un séparateur de faisceau à la jonction. Il s'agit d'un interféromètre de Michelson, qui a réalisé des mesures ultra précises de la vitesse de la lumière lors de l'expérience Michelson-Morley de 1887 ainsi que du spectre CMB. En relativité générale, une onde gravitationnelle se propageant perpendiculairement au plan des bras allongerait l’un et contracterait l’autre, modifiant ainsi la façon dont les ondes lumineuses dans les deux bras interfèrent. Selon Weiss, cela serait bien plus sensible que de mesurer le temps de trajet sur un seul trajet.

Weiss se souvient qu'au cours de l'été 1971, il « était assis dans une petite pièce et calculait tout ce qui pourrait interférer avec cette expérience », y compris les sources de bruit. Son résultat était remarquable : avec des bras longs de plusieurs kilomètres, il serait possible de mesurer des changements de distance aussi minimes que 10^-18 m - à peine un millième de la taille d'un proton - car le passage d'ondes gravitationnelles stresse l'espace pour provoquer une déformation de 10^-21.

Banc d'essai et premières observations

Certains collègues de Weiss étaient sceptiques quant aux ondes gravitationnelles, mais il a continué à développer son idée. Il a été vérifié expérimentalement lorsque de petits interféromètres de test construits dans son laboratoire et par un groupe allemand ont confirmé ses calculs. Un soutien plus large est venu après 1975, lorsque Weiss a renoué avec une connaissance de l'époque de Princeton, le Kip Thorne, physicien théoricien de Caltech. Voyant le potentiel de la recherche sur les ondes gravitationnelles, Thorne a défendu l’idée de Weiss à Caltech. En 1979 le National Science Foundation a financé Caltech et le MIT pour réaliser une étude de faisabilité de la détection interférométrique. En 1990, il a soutenu LIGO en tant qu'opération Caltech-MIT avec la plus grande subvention jamais accordée. Cela a permis la construction de détecteurs identiques avec des bras de 4 km de long à Hanford, Washington et Livingston, Louisiane, pour des études de coïncidence afin de confirmer toute observation. Ceux-ci incorporaient de nombreux concepts techniques développés par le physicien expérimental Ronald Drever de Caltech.

Après que LIGO ait commencé ses opérations en 2002, il a atteint la sensibilité prévue, mais pendant neuf ans, aucune onde gravitationnelle n'a été détectée. Les appareils ont ensuite été considérablement améliorés, avec une meilleure isolation des sources de bruit, ce qui a permis d'obtenir «LIGO avancé» (aLIGO) plus de cinq ans plus tard. Avec une sensibilité multipliée par 10, 14 septembre 2015, aLIGO a réalisé la toute première observation d'ondes gravitationnelles provenant de deux trous noirs en fusion – une découverte miraculeuse puisque la machine était encore en cours de calibrage pour la première utilisation officielle (Monde de la physique 2017; 30 (10) 33).

Quelques années plus tard, sur Le 17 août 2017, aLIGO a réalisé la toute première observation d'ondes gravitationnelles provenant de deux étoiles à neutrons en fusion. (le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo en Italie a également participé). Il ne s’agissait pas d’événements isolés. À la fin de sa dernière période d'observation, achevée fin 2021, aLIGO avait signalé un total de 90 observations de fusions de deux trous noirs (la majorité), de deux étoiles à neutrons, ou d'un trou noir et d'une étoile à neutrons. 

Regarder en arrière, regarder devant

En contemplant ces sept premières années d’astronomie gravitationnelle, Weiss jubile. "Je pense que LIGO a été un énorme succès", dit-il, louant en particulier la façon dont il valide la relativité générale et l'astrophysique des trous noirs. Les résultats de LIGO montrent que nous comprenons suffisamment bien les trous noirs pour prédire les détails de leur interaction à deux corps, ce qui, en relativité générale, est aussi difficile à calculer que le problème à trois corps de la physique classique. Un autre résultat est le catalogue d’interactions de LIGO entre trous noirs de masses variables, qui donne des indices sur la façon dont ils pourraient se former en trous noirs supermassifs au centre des galaxies.

Weiss souligne également un événement particulier qui « a provoqué le plus grand émoi [et] a produit tellement de science que c’est incroyable ». La collision des deux étoiles à neutrons observée en 2017 a également généré un rayonnement électromagnétique, allant des rayons gamma aux ondes radio, qui a été suivi par les observatoires du monde entier (voir "Un nouveau messager cosmique" par Imre Bartos). Cet excellent exemple d'astronomie « multi-messagers » a permis de localiser précisément l'événement ; a montré que l'interaction produisait de l'or et du platine, donnant ainsi un nouvel aperçu de la manière dont les étoiles fabriquent des éléments lourds ; a confirmé que les ondes gravitationnelles se déplacent exactement à la vitesse de la lumière ; et a fourni une nouvelle façon de mesurer la constante de Hubble et peut-être de mettre fin aux incertitudes actuelles concernant sa valeur.

L’enthousiasme de Weiss grandit lorsqu’on l’interroge sur l’avenir de l’astronomie gravitationnelle. Un élément serait le Interféromètre Cosmic Explorer, suggéré par Matthew Evans ainsi que Nergis Mavalvala au MIT. Weiss soutient fermement cet appareil de nouvelle génération, dont les bras de 40 km de long le rendraient 10 fois plus sensible que le LIGO avancé. Les scientifiques européens envisagent le modèle triangulaire Télescope Einstein avec des bras de 10 km de long, et l'Agence spatiale européenne propose de lancer l'engin triangulaire Antenne spatiale interféromètre laser (LISA) dans les années 2030. Ses trois vaisseaux spatiaux – espacés de 2.5 millions de kilomètres et emportant lasers et miroirs – formeraient un détecteur hypersensible.

Chaque détecteur répondra à différentes fréquences d'ondes gravitationnelles, qui dépendent inversement de la masse de l'objet rayonnant. Tout comme l’astronomie ordinaire utilise différentes parties du spectre électromagnétique pour étudier divers phénomènes célestes, nous commençons à voir des observatoires gravitationnels réglés pour détecter différentes classes d’événements gravitationnels. Pour les trous noirs, les possibilités vont de la recherche de petits trous noirs primordiaux hypothétiques à la compréhension du lien entre les trous noirs supermassifs et la formation des galaxies. Les ondes gravitationnelles provenant de la fusion d’étoiles à neutrons approfondiront notre connaissance de l’évolution stellaire et de la matière nucléaire dense. Ils peuvent également provenir de pulsars pour compléter ce que les ondes électromagnétiques révèlent à leur sujet. De manière plus spéculative, certains chercheurs suggèrent que les méthodes multi-messagers pourraient montrer si le trou noir supermassif au centre de notre propre galaxie est réellement l’extrémité d’un trou de ver.

Ce qui enthousiasme le plus Weiss à propos de ces prochains détecteurs, c’est qu’ils pourraient « faire de la science spectaculaire en amenant ce domaine à la cosmologie, à l’étude de l’univers entier ». Comme il l'explique, le théoricien russe Alexeï Starobinskiǐ a montré que si une fluctuation du vide déclenchait le cosmos, alors que l'univers subissait une inflation cosmique rapide, l'accélération inimaginable produirait de nombreuses ondes gravitationnelles de basse fréquence. Comme le rayonnement de fond cosmique, ceux-ci formeraient un fond universel résiduel, mais provenant d'une époque très proche du Big Bang et porteur de nouvelles informations sur des processus précoces comme la création de la matière noire. Ces ondes seraient difficiles à détecter, mais les chercheurs envisagent une combinaison de détecteurs au sol et dans l'espace qui constitueraient un nouvel outil pour s'attaquer à certaines grandes questions de physique, d'astronomie et de cosmologie.

Mais alors qu’il réfléchit à sa longue carrière et à ses recherches futures, Weiss ne souhaite pas résumer les choses en disant simplement : « Je ne suis pas ce genre de gars ». Il pourrait être décevant de ne pas faire un dernier extrait sonore, mais ensuite, dans son engagement de plusieurs décennies à construire avec succès LIGO, dans sa vision de faire progresser la science des ondes gravitationnelles et dans sa passion contagieuse pour les deux, Rainer Weiss a déjà déclaré avec éloquence : tout ce qu'il a à dire.