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Nous sommes habitués à observer la lumière des étoiles pour comprendre l'Univers. Ce n'est pourtant pas la radiation la plus présente dans l'Univers mais c'est celle que nous avons d'abord identifiée car nos yeux sont des « détecteurs de lumière ». Or l'Univers est mu par la gravité, non par la lumière. C'est donc la radiation associée, appelée onde gravitationnelle, qui est de première importance pour comprendre le fonctionnement de l'Univers. Tout récemment, les scientifiques ont réussi à mettre au point les premiers instruments qui leur permettront de détecter cette radiation. Ce livre, rédigé par un acteur important de cette science de pointe, décrit les techniques et les concepts à l'oeuvre et raconte la course que mènent les laboratoires du monde entier pour comprendre cet Univers gravitationnel qui s'ouvre à nous.

Les ondes gravitationnelles : la plus grande découverte en astronomie depuis Galilée, couronnée par le prix Nobel de physique 2017. Il y a cent ans, Albert Einstein les avait prédites. Il s'est demandé ensuite si sa théorie de la « relativité générale » n'avait pas accouché d'une seconde chimère, après celle des trous noirs... ... Le 14 septembre 2015 une onde passa sur Terre. Elle déplaça deux miroirs, situés à des kilomètres de distance, d'une fraction de la taille d'un proton. Messagère du ciel, elle apportait la nouvelle de la fusion de deux trous noirs il y a 1,5 milliard d'années, balayant d'un seul coup les doutes d'Einstein et de ses successeurs : non seulement les trous noirs existent, mais ils peuvent être en couple, et émettre alors des ondes gravitationnelles. Ce livre retrace toute l'aventure de cette découverte. Le lecteur pourra y muser au gré de ses intérêts, s'arrêter aux anecdotes sur les exploits de ses héros, toucher du doigt les meilleurs instruments de mesure au monde, admirer le ballet spiralant des étoiles, ou suivre les développements les plus récents de la relativité générale sans lesquels nous serions restés aveugles à ces spectacles.

La détection directe des ondes gravitationnelles par de grands détecteurs interférométriques fait l'objet d'un effort international très intense. Au delà des signaux recherchés par ces détecteurs, l'existence de fonds d'ondes gravitationnelles s'étalant sur une large plage de fréquences est prédite par les modèles astrophysiques et cosmologiques décrivant l'Univers. Ces fonds sont un élément important de notre environnement gravitationnel, qui sont à l'origine d'une décohérence, étudiée ici à l'aide de la fonctionnelle d'influence de Feynman-Vernon. L'effet est petit pour des systèmes microscopiques comme des atomes ou des photons circulant dans des interféromètres, mais il devient dominant pour les systèmes macroscopiques comme par exemple le mouvement du centre de masse de la Lune. Au vu de ces résultats, il est important de se demander si cette décohérence gravitationnelle pourrait être mise en évidence expérimentalement à l'aide par exemple d'un système mésoscopique dont on pourrait suivre la perte de cohérence. Cette question correspond à un modèle complètement calculable de transition classique-quantique induite par les fluctuations intrinsèques de l'espace-temps.

Et si comprendre enfin notre galaxie était le nouveau défi de la science? En proposant deux nouvelles lois, celle des particules gravitationnelle et celle des ondes gravitationnelles, cet ouvrage présente ainsi la découverte d'une nouvelle interaction fondamentale dans la galaxie, et par là même, les clefs du fonctionnement du système solaire. Autour des interactions magnétique et gravitationnelle, s'inspirant des travaux de Titius et Einstein pour mieux les transcender, l'auteur signe une étude qui ouvre de nouvelles perspectives aux champs d'investigation scientifique.

En 1905, la relativité restreinte bouleverse nos conceptions de l'espace et du temps : il n'existe pas de temps universel, et une conséquence spectaculaire est le paradoxe des jumeaux vérifié quotidiennement par le système GPS. Dix années après la relativité restreinte, la relativité générale interprète la gravitation comme une propriété géométrique de l'espace-temps. Il n'existe plus d?espace absolu où l'on pourrait disposer étoiles et galaxies et l'espace-temps est déformé au voisinage d'objets astrophysiques compacts. Dans un environnement de gravité forte, le temps diffère radicalement du temps usuel et la lumière peut faire du surplace ou même se retrouver piégée. Ce livre expose les concepts fondamentaux introduits par Einstein et il les confronte aux expériences les plus récentes en physique des particules élémentaires et en astrophysique. Le lecteur découvrira comment la relativité décrit ces objets étranges et fascinants que sont les étoiles à neutrons, les trous noirs ou les ondes gravitationnelles, et comment elle rend compte de l'histoire de l'Univers.

Kip S. Thorne a été l'un des acteurs privilégiés d'une quête grandiose, qui a duré près de trente années, pour comprendre l'héritage transmis par Einstein - la théorie de la relativité générale et ses étonnantes prédictions concernant l'univers -, pour découvrir où et comment la relativité échoue, et pour trouver ce qui alors la remplace. Le lecteur est entraîné à travers un labyrinthe d'objets exotiques: trous noirs, naines blanches, étoiles à neutrons, ondes gravitationnelles, trous de ver et machines à voyager dans le temps. Il suit pas à pas l'histoire de ces découvertes scientifiques qui ont toutes été prédites par la théorie de la relativité et à certaines desquelles Einstein lui-même ne croyait pas. L'auteur écrit ainsi la chronique fascinante des efforts qui menèrent à la compréhension des objets peut-être les plus mystérieux de l'univers, en particulier les trous noirs. Jonglant avec les décennies, évoquant la multiplicité des collaborations scientifiques à l'échelle de la planète, montrant l'enchevêtrement de la recherche et de la guerre froide à travers la rivalité soviéto-américaine, Kip S. Thorne peint une fresque contrastée où se côtoient astrophysique, sociologie, physique et spéculations audacieuses.

Pour la science n°357, Juillet 2007 : La musique de l'univers - A l'écoute des ondes gravitationnelles

Sciences et Avenir n°829, Mars 2016. Ondes gravitationnelles : Un message de l'infini Le découverte des vibrations émises par deux trous noirs révolutionne l'astronomie. On va percer les secrets de phénomènes invisibles : pulsars, supernovæ, étoiles à neutrons... jusqu'au Big Bang.