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Fritures sur les ondes gravitationnelles

Simulation de la fusion de deux trous noirs qui engendre des ondes gravitationnelles. LIGO/T. PYLE David Larousserie

AstrophysiqueLeur détection en 2015 a débouché sur un Nobel. Mais certains doutent que les détecteurs LIGO et Virgo aient bien capté ces déformations de l’espace-temps

Le 16 février 2016, la planète a été secouée par une annonce sensationnelle. Pour la première fois, des ondes d’un nouveau genre avaient été détectées sur Terre, conséquences de la fusion entre deux trous noirs. L’observation elle-même, par deux instruments jumeaux de l’expérience LIGO installés aux Etats-Unis, date du 14 septembre 2015 : le sursaut des « aiguilles » des deux détecteurs de l’ordre du millième du diamètre d’un proton a été suffisant pour affirmer qu’une onde, dite « gravitationnelle », prévue par la relativité d’Einstein, avait traversé la Terre. Le retentissement est mondial et, dès l’année suivante, le prix Nobel est accordé aux pionniers de ces expériences, Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne.

  • la fusion entre deux trous noirs 两个黑洞的融合
  • le sursaut des aiguilles 指针的跳动
  • un proton 质子
  • la relativité d’Einstein 爱英斯坦的相对论

Le 3 novembre, nouvelle secousse, un article du magazine New Scientist titré « Adieu les ondes ? » détaille des doutes sur l’annonce de 2016. « Nous pensons que LIGO a échoué à apporter des preuves suffisantes de la détection d’une quelconque onde gravitationnelle », y explique Andrew Jackson, chercheur à l’Institut Niels Bohr (INB) de Copenhague (Danemark). Au Monde, il précise : « Il y a une sorte de signal dans les données mais je n’ai pas idée de ce que ça peut être. En particulier, je ne vois pas de preuves que ce soit causé par une onde gravitationnelle ou même un quelconque phénomène astrophysique. »

  • quelconque

Critique de la méthode

Dès l’annonce, ce chercheur et des collègues de l’INB ont été surpris, comme d’autres d’ailleurs, que la première onde arrive quelques jours seulement après le début de l’expérience et qu’elle soit créée par une valse de trous noirs plus lourds qu’attendu – une trentaine de fois la masse du Soleil. Cependant, quatre autres événements gravitationnels ont ensuite été recensés, et les astrophysiciens ont su justifier l’existence de trous noirs de la taille trouvée.

  • une valse

L’équipe danoise s’est alors plongée dans les méthodes d’analyse de LIGO pour les critiquer. Selon elle, il s’agirait d’une sorte de technique « autoréalisatrice ». Les effets de tout un ensemble de paires de trous noirs différents sont calculés, puis comparés aux signaux enregistrés. Et, une fois la bonne paire trouvée, la conclusion est que ce sont bien des trous noirs qui sont à l’origine du phénomène ! « C’est une méthode connue pour être “dangereuse” ! », tranche Andrew Jackson.

« Cette méthode des templates [« gabarits »] est excellente pour trouver des signaux prédits par la relativité générale. Elle est reconnue par la communauté scientifique et très féconde », rétorque David Shoemaker, le porte-parole de LIGO, qui pointe en retour des erreurs de conception dans les méthodes de l’INB. En outre, l’article publié en février 2016 par LIGO (associé à Virgo, l’expérience quasi jumelle européenne) mentionne que deux méthodes ont en fait été utilisées, l’une reposant sur les gabarits, l’autre, plus « aveugle », consistant à extraire un signal nouveau d’un bruit de fond permanent, et qui soit cohérent entre les deux instruments.

  • 普通列表项目

Car, s’il a fallu attendre si longtemps entre la prédiction d’Einstein et sa vérification sur Terre, c’est que les mesures sont délicates à réussir. En permanence les « bras » des détecteurs bougent en raison de perturbations extérieures, qui sont souvent plus importantes que celles causées par le passage d’une onde gravitationnelle. Les équipes de LIGO/Virgo ont pourtant réussi à identifier un clapotis anormal dans une mer déchaînée. Puis, pour interpréter ce signal, ils l’ont comparé à différents modèles astrophysiques, impliquant des fusions de trous noirs, mais pas seulement.

  • un clapotis anormal 反常的滴水声
  • une mer déchaînée

Cette complexité explique sans doute le malaise à la lecture d’un autre argument cité par New Scientist. La première figure, dûment publiée en 2016 par Physical Review Letters détaillant l’incroyable découverte, aurait été faite « à la main » ! « L’analyse conduisant à la preuve de l’existence d’ondes gravitationnelles n’est pas dans cette figure, mais dans une autre plus loin dans l’article. Je ne comprends pas pourquoi les Danois restent bloqués sur cette figure », soupire Jo van den Brand, porte-parole de Virgo. La raison est peut-être que LIGO/Virgo n’a pas été assez clair dans cet article. Les chercheurs ont présenté, par souci pédagogique, les enregistrements des instruments ainsi que des courbes-gabarits de fusion de trous noirs, mais pas les « bonnes ». C’est-à-dire pas exactement celles correspondant le mieux aux données enregistrées. Résultat, découvert avec stupeur et présenté par les Danois dans un article de 2017 : une fois ces courbes retranchées des enregistrements, les signaux restants sont corrélés, comme si les défauts des deux instruments séparés de 3 000 km étaient liés. Impossible ! Sauf que cette corrélation inquiétante disparaît si l’on prend les « bonnes » ondes, comme viennent d’ailleurs de le montrer d’anciens membres de LIGO en novembre. Une démonstration à laquelle entend bien répondre Andrew Jackson…

  • dûment 正式地,合乎手续地

En réponse aux critiques, LIGO, qui a mis en ligne bon nombre de données et de logiciels, cite aussi les dizaines d’articles qu’elle a publiés, et plusieurs articles, non issus de ses rangs, qui ont confirmé l’existence d’un signal, les valeurs des paramètres des trous noirs et l’absence de corrélation entre les « bruits » des deux instruments.

Fusion d’étoiles à neutrons

Un autre argument vient d’une autre onde, détectée le 17 août 2017. Ce jour-là, pour la première fois, un événement astrophysique a été vu non seulement par LIGO mais également par des télescopes spatiaux et terrestres, dans le visible, les ondes radio et les rayons X… Il a été attribué à la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette coïncidence temporelle et géographique dans le ciel devrait plaider contre les positions des sceptiques.

Eh bien non. Andrew Jackson relève divers points troublants sur cet événement. Les enregistrements de LIGO ont été à ce moment-là perturbés par un problème technique et il ne croit pas que ses collègues aient pu le « nettoyer » a posteriori. Il note aussi que l’alerte internationale envoyée aux spécialistes a d’abord été donnée par le télescope spatial Fermi puis par LIGO, alors que ça aurait dû être le contraire. Mais, là aussi, LIGO/Virgo conteste. Le pépin n’a atteint qu’un des deux détecteurs, et « il ne concerne qu’une petite plage de temps, moins de 1 % des données, donc facile à nettoyer », explique Jo van den Brand. En outre, le retard de LIGO par rapport à Fermi s’explique par une panne de communication entre les détecteurs et un système d’alerte pas aussi bien rodé que celui des astronomes. De plus, il a été montré que le signal gravitationnel est bien arrivé sur Terre avant celui de Fermi.

  • le pépin: 原意是果仁。这里是 problem。 obstacle的意思
  • rodé 运转顺利

Cependant, en octobre, une nouvelle secousse est survenue, liée à cet événement d’août 2017. Le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, le même que celui dans lequel l’INB a publié ses articles critiques, a publié l’analyse d’une équipe italienne, qui considère que les signaux détectés ne seraient pas dus à la fusion de deux étoiles à neutrons mais à celle de deux naines blanches (de petites étoiles), incapable de secouer les instruments de LIGO. L’un des problèmes est que le modèle astrophysique utilisé par ces chercheurs est considéré comme marginal et seulement soutenu par cette équipe… « Tous les signaux détectés avaient déjà été prédits théoriquement ou observés précédemment et collent avec la fusion de deux étoiles à neutrons », rappelle Brian Metzger, de l’université Columbia.

  • naines blanches 白矮星

La controverse n’est pas seulement technique. Des membres de LIGO sont venus à l’INB en août 2017 pour débattre de leurs méthodes respectives. A la fin des discussions, les participants ont résumé au tableau leurs conclusions et une phrase indique alors que « la détection de septembre 2015 n’est pas discutable ». Aujourd’hui, Andrew Jackson, qui nous a pourtant envoyé la photo de ce tableau, explique : « Non, tous mes collègues ont dit qu’ils n’étaient pas d’accord ! ». « Je suis triste de cette réaction », soupire Duncan Brown, de l’université Syracuse (Etats-Unis), membre de LIGO à l’époque et présent à cette réunion.

Il résume la situation : « Il n’y a pas de controverse scientifique sur les paramètres des événements de 2015 ou 2017. Mais certains points posent des questions intéressantes. Il y a eu ainsi des erreurs dans certains programmes mis en ligne par LIGO. La première figure de l’article de 2016 aurait pu être plus claire. Enfin, les données et logiciels mis en ligne manquent d’informations pour permettre à des chercheurs de vérifier indépendamment ce qui a été fait par LIGO. »

LIGO/Virgo promet dans quelques mois un article méthodologique plus clair sur ses méthodes.

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