Les ondes gravitationnelles expliquées par un diplômé de l'Ecole

Alban Remillieux, diplômé CPE Lyon (promotion 1991) en section Electronique et Traitement de l’Information (aujourd’hui Sciences du numérique) a toujours été attiré à la fois par l’ingénierie et par la recherche. Il poursuit donc naturellement sa formation d’ingénieur par une thèse de doctorat dans le domaine de l’opto-électronique où il développe un amplificateur à fibre optique pour les télécommunications, en collaboration avec Alcatel Alstom Recherche.

Après avoir participé à la création du Laboratoire de Matériaux Avancés (LMA) et en avoir été le Directeur Technique, il est recruté en 2007 par le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) en tant que Directeur technique et chef de projet. Il continue néanmoins de collaborer avec le LMA dans le cadre d’un Laboratoire d’Excellence, le LabEx LIO (Lyon Institute of Origins).

Nous le rencontrons aujourd’hui concernant les récentes découvertes d’ondes gravitationnelles, pour comprendre le phénomène, le rôle de son laboratoire et de ses recherches sur cette thématique.

Le rôle du LMA dans la découverte des ondes gravitationnelles 

« C’est en fait mon service militaire qui m’a orienté vers les ondes gravitationnelles. J’ai été scientifique du contingent à l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon, dans un service spécialisé dans la réalisation de matériaux optiques de très haute qualité. J’y ai été recruté comme Ingénieur de Recherche au CNRS en 1997. Avec Jean-Marie Mackowski, qui était responsable de ce service, nous avons créé un nouveau laboratoire du CNRS, le Laboratoire de Matériaux Avancés (LMA), doté d’une infrastructure entièrement dédiée à la réalisation de traitements optiques de grande dimension (jusqu’à 0,8 m) et de très faibles pertes (de l’ordre de la ppm). Ma contribution dans ce domaine de recherche a concerné la modélisation de la chambre de déposition où sont réalisés les traitements optiques et le développement de techniques de masquage pour obtenir une uniformité d’épaisseur des optiques de l’ordre du nanomètre.

J’ai aussi contribué à développer de nouveaux bancs de métrologie optique, uniques par leurs dimensions et leurs performances, afin de caractériser, en autres, les optiques du projet européen Virgo.

Le LMA a en effet réalisé dans ce cadre, en 2005, une antenne constituée d’un interféromètre de Michelson, dont les bras longs de 3 km sont destinés à détecter des ondes gravitationnelles.

J’ai aussi contribué à un programme de R&D pour le projet LIGO, équivalent américain de Virgo. Le programme consistait à améliorer les optiques de deux antennes gravitationnelles géantes existantes (bras de 4 km), et réaliser au final une version 10 fois plus sensible. Ce programme a permis au LMA d’être sélectionné pour la réalisation des optiques de grandes dimensions (35 cm de diamètre, 40 cm d’épaisseur) de LIGO et ce sont ces optiques-là, qui ont pour la première fois détecté des ondes gravitationnelles le 14 septembre dernier !

En 2007, j’entre au Centre de Recherche Astrophysique de Lyon pour y assurer la fonction de Directeur technique et chef de projet. J’ai ainsi travaillé pour l’instrument MUSE qui a été piloté par le CRAL et installé au Very Large Telescope au Chili en 2014. Mon projet aujourd’hui est l’instrument HARMONI qui sera l’un des deux premiers instruments qui équipera à l’horizon 2025 l’Extremely Large Telescope qui sera le plus grand télescope (39,4 m de diamètre). »

La découverte d’ondes gravitationnelles

« Jusqu’à présent, et depuis que Galilée a pointé sa lunette astronomique vers le ciel en 1609, nos instruments n’ont détecté que des ondes électromagnétiques, des photons, pour observer et comprendre l’Univers. Depuis le 14 septembre 2015, un nouveau type d’ondes en provenance de l’Univers a été directement découvert pour la première fois, des ondes gravitationnelles.

Ces ondes ont été prédites il y a 100 ans, en 1916, par Albert Einstein, 1 an après sa formulation de la théorie de la relativité générale. Elles sont d’une amplitude très faible et ne peuvent être détectées qu’en provenance de masses extrêmement importantes et denses, en mouvement rapide et accéléré.
Elles se déplacent à la vitesse de la lumière et déforment l’espace-temps. L’ordre de grandeur de la déformation est de 10-19 m ! Les premières expériences de détection des ondes gravitationnelles datent des années 1960. Ce n’est que dans les années 2000 que les premières expériences utilisant un interféromètre géant de Michelson pour mesurer la variation de distance ont fonctionné. Le défi technologique est immense, il revient à mesurer la distance terre-soleil avec la précision d’un petit atome. 

Les antennes gravitationnelles géantes (Virgo, LIGO notamment) ont fonctionné de 2002 en 2011, mais sans succès. Un programme d’amélioration de la sensibilité a eu lieu ces dernières années, et au printemps dernier, une nouvelle génération d’optiques réalisées au LMA a été livré à LIGO, puis à Virgo.

En septembre 2015, LIGO a été la première antenne à être opérationnelle et a eu la primeur de la grande découverte. Virgo fonctionnera conjointement avec LIGO cette année.

La découverte du 14 septembre 2015 est extraordinaire à plusieurs titres : il n’a pas été simplement observé des ondes gravitationnelles, il a aussi été pour la première fois observé la coalescence (fusion) de deux trous noirs. Ce phénomène avait été théoriquement prédit, mais jamais observé.

Cela montre que les ondes gravitationnelles ont un pouvoir de découverte important et que ce qui est observé est complémentaire des ondes électromagnétiques. La sensibilité actuellement atteinte par les antennes gravitationnelles va permettre de nouvelles observations qui vont être prochainement publiées.

Sans cette découverte, les financements pour de nouvelles antennes encore plus sensibles telles que le projet sous-terrain E.T. (Einstein Telescope) ou avec un plus large spectre fréquentiel tel que le projet spatial eLISA auraient été difficiles à obtenir.

Aujourd’hui, la donne a changé et une nouvelle fenêtre s’ouvre sur l’Univers. Aucune lumière n’est sortie de l’Univers extrêmement chaud durant les 380 000 années qui ont suivi le bigbang et aucun de nos télescopes ne nous renseignera sur cette période. En revanche, une antenne gravitationnelle spatiale pourrait avoir accès à l’histoire de l’Univers durant cette période primordiale. »

Septembre 2015