III - PHYSIQUE GRAVITATIONNELLE
La force gravitationnelle est une des forces de la nature que l'homme a identifiée sur un plan scientifique depuis très longtemps. Au début du 17 ème siècle, Galilée met en évidence le fait que tous les corps tombent avec la même accélération. A la fin du même siècle, les lois de la gravitation sont établies par Newton. Au début du XX e siècle, Einstein rattache les perturbations du champ gravitationnel à la structure de l'espace temps avec la théorie de la relativité générale.
Selon la théorie de la relativité générale, il existerait des ondes gravitationnelles, en réalité des perturbations du champ gravitationnel, qui se propagent à travers l'espace à la vitesse de la lumière, en décroissant très lentement lorsqu'elles interagissent avec la matière, sans être arrêtées toutefois ni par les étoiles ni par la matière interstellaire.
Jusqu'à aujourd'hui, les ondes gravitationnelles n'ont pu être mises en évidence qu'indirectement à partir de l'étude d'un pulsar binaire, en raison de la faiblesse de la force gravitationnelle.
En définitive, la détection directe des ondes gravitationnelles constitue un objectif d'un intérêt théorique fondamental. Le projet VIRGO s'attaque à la démonstration d'une des constructions intellectuelles les plus élaborées de la physique. Mais, ce faisant, le projet VIRGO représente également un défi considérable pour la physique expérimentale.
1. Les équipements lourds de la physique gravitationnelle
Le projet de détecteur français d'ondes gravitationnelles est né en 1982 au CNRS. Après que l'Italie s'est associée au projet, deux évaluations ont été conduites au CNRS et à l'INFN italien et une décision positive a été prise en 1994. La construction de l'équipement proprement dit est en cours. L'acquisition des données devrait commencer en 2003.
Cet équipement, intitulé VIRGO, est un interféromètre constitué de deux bras orthogonaux de 3 km de long comprenant chacun des cavités optiques résonantes et deux miroirs à leurs extrémités. Deux faisceaux de lumière laser produits par la même source parcourent de très longs chemins à l'intérieur des cavités, 120 km en l'espèce dans chaque bras, et sont recombinés en opposition de phase.
Or les ondes gravitationnelles déforment l'espace temps de telle sorte que, le long de deux directions perpendiculaires, les distances entre des points fixes augmentent dans une direction et diminuent dans l'autre durant le passage des ondes. Les ondes gravitationnelles entraîneront donc un changement de distance entre les miroirs qui lui-même se traduit par une variation des longueurs des chemins optiques parcourus par les deux faisceaux laser, d'où un déplacement partiel de phase des faisceaux. C'est selon ce principe que la détection d'ondes gravitationnelles doit avoir lieu.
VIRGO sera sensible aux ondes gravitationnelles dans un large spectre de fréquences, de 10 à 6000 Hz, ce qui devrait permettre de détecter les ondes produites par l'explosion de supernovae ou par la coalescence de systèmes binaires dans la Voie Lactée et dans les galaxies extérieures, comme par exemple celles de l'amas de VIRGO.
Les défis technologiques à relever pour la construction de VIRGO ont été nombreux.
Le laser de VIRGO est le premier exemplaire d'une nouvelle génération de lasers ultrastables. Les miroirs possèdent à la fois la plus haute réflectivité et la meilleure qualité de surface, deux objectifs qui ont pu être atteints après dix années de recherche et la construction d'un laboratoire de fabrication spécifique. En outre, l'interféromètre a dû être parfaitement isolé des bruits sismiques et avec ses 6 km de long, le tube sous vide du faisceau sera l'une des plus grandes chambres à vide du monde.
VIRGO fonctionnera jour et nuit, à l'écoute de tous les signaux qui arrivent à tout moment de l'univers.
2. Le TGE actuel de la physique gravitationnelle
Le budget total de ce TGE est de l'ordre de 500 millions de francs. La France assure 45 % de ce budget et l'Italie 55 %. Exploité dans le cadre d'une société civile de droit italien, le coût annuel total d'exploitation atteint 55 millions de francs par an, partagé à égalité par la France et l'Italie.
Selon le ministère de la recherche, l'investissement cumulé atteint 227 millions de francs depuis 1992, pour une dépense totale de 446 millions de francs.
Tableau 6 : Evolution des dépenses relatives à VIRGO 6
|
millions de francs |
dépenses |
1990 |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
|
VIRGO physique gravitationnelle (TGE scientifique) |
personnel |
8 |
13 |
16 |
26 |
29 |
22 |
27 |
27 |
28 |
||
|
exploitation |
17 |
6 |
||||||||||
|
construction |
8 |
26 |
13 |
29 |
39 |
25 |
37 |
24 |
26 |
|||
|
total |
16 |
39 |
29 |
55 |
68 |
47 |
64 |
68 |
60 |
On notera figure suivante que les dépenses relatives à VIRGO semblent stabilisées à un niveau de 60-65 millions de francs par an, personnel inclus.
Figure 5 : Evolution des dépenses annuelles dans le TGE de la Physique gravitationnelle
En définitive, en 1999, les dépenses relatives à VIRGO ont représenté 1,5 % du total des dépenses relatives aux TGE scientifiques et techniques.
Figure 6 : Evolution des dépenses relatives au TGE de la physique gravitationnelle par rapport aux dépenses totales des TGE scientifiques et techniques
Aussi original soit-il, le projet VIRGO n'est pas le seul projet de détection des ondes gravitationnelles dans le monde. La détection interférométrique des ondes gravitationnelles fait en effet l'objet des expériences LIGO aux Etats-Unis, GEO600 en Allemagne et TAMA au Japon.
3. Les besoins prévisibles
Le futur du TGE VIRGO est représenté en premier lieu par son achèvement et sa mise en service en 2003. Une amélioration de l'appareil est toutefois déjà prévue pour 2006.
En second lieu, une coopération est à développer avec l'Allemagne qui, elle-même, conduit un projet en partenariat avec le Royaume-Uni.
En troisième lieu, il convient de faire coïncider la détection des ondes gravitationnelles avec d'autres mesures, comme celles de rayonnements électromagnétiques de longueurs d'ondes variées. Les événements susceptibles de créer des ondes gravitationnelles détectables sont en effet des événements particulièrement violents comme l'explosion de supernovae ou d'hypernovae, que l'on observe par ailleurs dans les longueurs d'onde des rayons X ou des rayonnements gamma. On peut donc prévoir à cet égard des recherches additionnelles qui auront sans doute un volet de modélisation important.
En quatrième lieu, la préparation de la génération suivante de détecteurs doit d'ores et déjà être entamée, puisque aussi bien 25 ans se seront écoulés entre la conception de l'appareil et son entrée en service.
Ces différentes actions, indispensables pour tirer tout le bénéfice de l'investissement déjà réalisé, ne sont pas encore chiffrées mais ne devraient pas être de nature à faire changer d'ordre de grandeur les dépenses relatives au TGE VIRGO.
1 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000
2 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000
3 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000
4 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000
5 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000
6 Source : direction de la recherche, ministère de la recherche, juin 2000