Lettre Culture Sciences N° 27

AVRIL 2016

La Lettre

Culture

27 Sciences

La Terre a entendu un chant dans l’espace-temps Légende photo : un des bras de l’interféromètre LIGO, situé à Handford aux Etats-Unis et ayant enregistré le passage des ondes gravitationnelles, le 14 septembre 2015. photo sous licence creative commons.

Auteur Tobin

Un bruit court sur la toile. Il ne s’agit pas d’une rumeur, mais d’un son. Il dure à peine le temps d’une inspiration. Cet écho, tout droit extirpé des profondeurs de l’univers, plonge nos oreilles dans le silence interstellaire. Il nous livre une bande originale de science fiction. Car ce son est le chant des ondes gravitationnelles. Cet enregistrement confirme de façon « tangible » les prévisions de la théorie de la relativité générale d’Einstein, élaborée il y a un siècle. Il signe l’existence d’ondes d’énergie émises selon l’équation E=mc2.

Issues d’événements précis, celles-ci se propagent dans l’espace-temps sans déperdition, mais également sans être visibles. Ce son marque ainsi une révolution.

Pour la première fois, le 14 septembre 2015, les humains ont capturé dans le ciel le signal d’un phénomène physique non lumineux, situé à 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. Or, cette performance aurait été impossible sans l’heureuse convergence des avancées technologiques et théoriques. Pendant un siècle, les physiciens théoriciens ont imaginé, à partir des équations d’Einstein, quels corps, quelles sources pourraient bien émettre les ondes gravitationnelles, si cellesci existaient véritablement. Car pour Einstein, la gravitation n’est plus une force d’attraction mais une déformation de l’espace-temps. En conséquence, la Terre tourne autour du Soleil parce qu‘elle suit une trajectoire linéaire… dans un milieu courbe.

Ceci établi, Einstein émet alors l’hypothèse, en 1916, que des masses très importantes contenues dans l’espace-temps, quand elles s’accélèrent, pourraient émettre des ondes d’énergie. Il pense toutefois alors que ces sortes de rides de l’espacetemps resteront à jamais impossibles à déceler.

Après lui, des générations de physiciens théoriciens ont néanmoins élaboré des scénarios, postulé sur des événements jamais observés susceptibles d’émettre lesdites ondes. Parmi eux, figurait la coalescence de deux trous noirs (leur mise en orbite de plus en plus rapide l’un autour de l’autre jusqu’à ce qu’ils s’amalgament). Si ce phénomène s’avérait suffisamment puissant, il devait être possible de le capter au moyen d’une instrumentation adaptée.

Faire le tri parmi des milliers d’événements possibles Les équipes scientifiques internationales ont donc également bâti des interféromètres géants, aux Etats-Unis puis en Italie et bientôt au Japon. Vus d’avion, ces appareils étirent sur le sol deux bras « en L », strictement identiques et longs de trois à quatre kilomètres. À l’intérieur, un laser extrastable émet des rayons voués à se réfléchir sur des miroirs, eux-mêmes en suspension dans un quasi vide. « Au passage des ondes gravitationnelles, s’opère un changement de distance entre deux objets et ce changement dépend de la distance initiale qui les sépare. D’après les calculs, on doit mesurer une variation de 10-18m, autrement dit égale à un millième d’atome, pour 100km de trajet ! », explique Catherine-Nary Man, directrice du laboratoire ARTEMIS (1), engagé dans la collaboration internationale LIGO-Virgo (du nom des interféromètres actuellement en service). « Nous traduisons cette modification de l’espacetemps comme une modification de l’indice de l’air », poursuit-elle. Quand l’onde gravitationnelle traverse les bras de l’interféromètre, elle donne l’illusion d’en « allonger » un et de « raccourcir » l’autre. En pratique, les faisceaux lasers vont se réfléchir sur les miroirs avec un infime décalage. Se produit alors un signal d’interférences lumineuses. « Il existe à l’heure actuelle quelques milliers de patrons-type de signatures possibles des signaux, élaborés par les théoriciens », précise CatherineNary Man. Néanmoins, leur image apparaît d’abord brouillée sur les écrans, en raison de l’énorme quantité de bruits parasites captés dans l’interféromètre. Détecter les ondes gravitationnelles a donc nécessité un traitement du signal minutieux, autrement dit de nettoyer les bandes. « Toute une série de capteurs nous permet d’enregistrer les sons parasites de l’environnement et de les archiver dans une banque de données.

Ensuite on les soustrait aux signaux capturés à l’intérieur de l’interféromètre », explique la directrice du laboratoire ARTEMIS. « On essaye enfin de calquer le résultat sur les modèles théoriques disponibles », poursuit-elle. Chaque « signature »

correspond à un événement mettant en jeu des objets de masse donnée et situés à une certaine distance de la Terre. Les oscillations rendues publiques sur Internet le 11 février 2016 « montrent » ainsi un événement parfaitement imprévisible, dont la durée est estimée entre une fraction de seconde et quelques secondes…

L’intuition à l’épreuve de la science Il s’agit de la perte d’énergie résultant de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 masses solaires chacun. « Ils tournaient à la fin l’un autour de l’autre avec une vitesse avoisinant la moitié de la vitesse de la lumière. Il s’agit donc d’un événement d’une extrême violence ! », souligne CatherineNary Man. Sans cela, les ondes gravitationnelles n’auraient d’ailleurs pas pu être détectées. Mais c’est désormais avéré. Il existe des émissions d’énergie non lumineuse, des perturbations, qui se propagent dans un espace courbe à quatre dimensions appelé espace-temps. Et aucune de ces dimensions ne ressemble à ce que nos sens assimilent à la durée et à la distance !

L’espace-temps ressemblerait plutôt à une entité géométrique embrassant, pour tous les objets qu’il contient, tous les événements de leur « vie », reliés de façon continue en « lignes d’univers » plus ou moins longues. Dans ce milieu, chaque objet possède son temps propre et les « lignes d’univers » suivent une déformation, une courbure, déterminée par le contenu énergétique de l’environnement.

Autrement dit, quand deux trous noirs fusionnent avec une perte globale de masse égale à trois masses solaires, cela se répercute sur la courbure de l’espace-temps. Enfin, à la différence des ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles ne semblent arrêtées par rien. Elles ont donc traversé la Terre, le 14 septembre, identiques à ce qu’elles étaient il y a plus d’un milliard d’années.

Reste à savoir s’il existe, pour les décrire, l’équivalent du « photon » lumineux, un hypothétique « graviton ». La mise en service d’une antenne spatiale d’interférométrie laser, baptisée projet LISA, devrait également donner lieu à de nouvelles investigations. En effet, capter des signaux depuis l’espace permettra par exemple de s’affranchir du bruit sismique. « Il s’agit des signaux engendrés sur Terre par toutes les masses, comme les masses d’air, qui se déplacent et qui constituent un « mur » au sens où ils sont impossibles à nettoyer », explique la directrice du laboratoire ARTEMIS. LISA va ainsi accéder à une autre gamme de fréquences et pourra détecter, par exemple, des trous noirs de quelques millions de masses solaires, dont certains sont présents au centre des galaxies.

Mais surtout, cette antenne pourra accéder au « fond stochastique » d’ondes gravitationnelles. « Ce sont des ondes graves, émises à très très basse fréquence. Comme elles sont très

Qu’est-ce qu’un trou noir ?

Invité de l’association AQUILA, l’astrophysicien Jean-Pierre Luminet a donné une conférence à l’Université Nice Sophia Antipolis, le 23 mars dernier.

Il est revenu, à cette occasion, sur la nature des trous noirs.

Il s’agit, selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, d’effondrements gravitationnels, autrement dit de distorsions locales de l’espace-temps, proportionnelles à la concentration de matière. Certains peuvent être gigantesques mais moins denses que l’air. « Ce sont des puits de gravité dont on ne distingue que la géométrie du bord et où on peut entrer mais jamais ressortir », a résumé Jean-Pierre Luminet. « Si un explorateur parvenait à s’y introduire avec une caméra, ce dernier, au-delà d’une frontière appelée l’horizon, ne pourrait plus retransmettre que l’image d’un mouvement qui ne s’achèverait jamais », a-t-il encore illustré. Enfin, quelle que soit la matière qui y tombe, tous les paramètres qui permettaient de la décrire disparaissent à l’exception de la masse, de la charge électrique et de la vitesse angulaire.

nombreuses, elles produisent un « bruit » énorme, qui là va devenir audible. Or, une partie de ces signaux serait théoriquement émise par le Big Bang », s’enthousiasme Catherine-Nary Man. Actuellement, les instruments ne permettent de « voir » que 300 000 années après l’événement le plus mystérieux et le plus déterminant de l’histoire de l’univers.

Laurie CHIARA (1) Le laboratoire ARTEMIS de l’Observatoire de la Côte d’Azur présente une expertise sur le calcul des sources d’ondes gravitationnelles possibles, l’élaboration d’instrumentation laser très stable et le traitement du signal.

L’Université Nice Sophia Antipolis propose de confronter l’art et la recherche scientifique à la Faculté des Sciences du Sport, jusqu’au 31 mai.

Les collectifs no-made et In situ corpo proposent, à travers une série d’installations, une réflexion sur « l’immobilité dans le mouvement ». Cette manifestation célèbre la troisième édition de l’opération « Si le printemps revenait », initiée en 2010.

La relation entre arts et sciences doit affronter des obstacles communs à toutes les formes d’interdisciplinarité, avec au premier rang l’épineux problème du langage. Le choix d’un terme plutôt qu’un autre peut très vite susciter la controverse.

Lorsque Rémi Radel, maître de conférences au laboratoire Motricité Humaine Education Sport Santé (LAMHESS) jongle avec les « concepts » et entend percer les mystères de la « création », les artistes de no-made se raclent la gorge.

Impossible, pour eux, de confondre la créativité avec la productivité ou l’innovation. Car à la différence d’un scientifique, ils n’ont pas vocation à accoucher d’une idée originale et pertinente visà-vis d’un problème donné. Il ne s’agit pas, pour eux, d’imaginer pour résoudre. Du point de vue des artistes présents, le créatif montre quelque chose qui n’existe pas.

Il se nomme Picasso ou bien Einstein. Il invente des prises de vue impossibles pour figurer le mouvement. Il a l’intuition de l’espace-temps. « Matisse, dans les années 30, invente les images découpées pour représenter le corps de la danseuse », indique Jean-Baptiste Pisano, maître de conférences au laboratoire ERMES. Le reste, « c’est de la décoration, cela consiste à assembler de façon harmonieuse ce qui existe déjà », précise Denis Gibelin. La démarche artistique présente également d’autres spécificités.

Pour commencer, elle répond à une interpellation personnelle et compose, à la fin, « un lieu de parole », explique Jean-Pierre Joly. Celui-ci peut être partagé, enrichi, mais en aucun cas détourné, assument les représentants de no-made. Libre à d’autres de soutenir le contraire. « L’expérience artistique mène à une représentation instantanée, unique et personnelle. Elle n’a pas besoin d’être reproductible », souligne à son tour Stéphanie Lobry.

Rémi Radel, pour en revenir au thème de son exposé, présenté le 29 mars en écho à l’exposition, s’intéresse à l’artiste du point de vue de son fonctionnement cognitif, sans viser la singularité.

Le chercheur étudie les conditions favorables à la créativité et en particulier le rôle éventuellement facilitateur que pourrait jouer l’exercice physique.

Le scientifique coordonne actuellement le projet EXERSIGHT, financé par l’Agence nationale de la recherche. Il y teste diverses hypothèses, afin de déterminer par exemple si l’exercice physique entraine une levée du contrôle cognitif et favorise ainsi la « montée » en conscience d’idées inattendues. D’autres pistes ciblent notamment l’action des hormones sécrétées dans le cerveau.

Pour les neurosciences, l’artiste serait ainsi en passe de devenir sujet d’expérimentation. Mais il arrive aussi qu’une curiosité commune réunisse ces deux « espèces ».

Les ateliers mouvants de l’artiste Stéphanie Lobry a ainsi investi l’univers du cabinet dentaire ou celui de la salle d’opération avec le désir de « comprendre » l’anatomie. Elle s’interroge alors sur l’existence d’un rapport entre la pratique artistique et l’acte de création lié à la fonction de reproduction. Ses oeuvres, réalisées au crochet, sculptent le système digestif, la boîte crânienne

Slice of life (détail), Stéphanie Lobry IRM crochet

L’immobilité dans le mouvement

ou encore l’appareil génital masculin sous toutes leurs coutures. Et ses conceptions interrogent le spectateur en filigrane : « Donner la vie, c’est permettre la création d’organes. Est-ce donc une forme d’art ? ». Ailleurs, artistes et scientifiques partagent une technique. La « motion capture », utilisée dans le cinéma d’animation, permet ainsi à Pauline Gerus, chercheuse en biomécanique au LAMHESS, d’étudier les troubles de la marche.

Chez Denis Gibelin, un GPS collecte le déplacement d’un individu et la retranscription de signaux forme un tableau de points. « Quelle que soit la marche, on obtient la même chose, mais avec des variations de couleurs. Celles-ci signent le temps de passage du marcheur, son attitude. Les pas deviennent donc matière », explique l’artiste.

Il distingue néanmoins son approche du land art, car il s’applique à ne laisser aucune trace, ou empreinte, de son travail dans le paysage traversé.

Celui-ci devient en revanche l’atelier de l’artiste.

Dehors, sur le parvis de la faculté, le « juge » de bois de Louis Dollé tient sur trois doigts. Démesurés, ils ont l’allure d’un socle, indécollables du sol. En même temps, la sculpture, les pieds en écart, feint un équilibre précaire.

La sensation de lourdeur de la main contraste avec la légèreté du corps en suspension. Le juge devient une sorte d’astronaute joueur en apesanteur. Que dire, également, du fauteuil roulant rouge de JeanPierre Joly, choisi pour évoquer « l’immobilité dans le mouvement » ? Une réponse possible vient peut-être de Louis Dollé : « être artistes, pour nous, au sein de no-made, c’est vulgariser des connaissances qu’on n’a pas et qu’on essaye de transmettre à un public ».

Laurie CHIARA

L’innovation technique : enjeux sociaux et historiques La technique, en se développant, change incontestablement notre relation au monde.

L’explosion des réseaux sociaux tend à modifier notre rapport à l’autre, les courriels bouleversent notre perception du temps, les systèmes de géolocalisation transforment notre représentation de l’espace. L’ordinateur nous soulage de l’inutile mais il se substitue également à notre mémoire pour stocker les bons et les mauvais moments. Il y a ainsi, en toute innovation, un bien et un mal indissociables, souligne le physicien Michel Blay, invité, le 5 avril, de la section locale de la Société Française de Physique. Directeur de recherche émérite au CNRS, historien des sciences et philosophe, il s’est proposé, lors d’une conférence, d’interroger le rapport entre les sciences physiques, la technique et la société.

Celui-ci semble se cristalliser autour de la notion « d’innovation ». Sensée nourrir la croissance, la nouveauté suit un cycle de production amené à se raccourcir toujours davantage. Au lieu de rimer avec « révolution », elle concerne ainsi les objets destinés à la consommation et les services, supposés, par leurs aspects techniques, participer au bien-être. « Or, les innovations sont, le plus souvent, seulement des produits partiellement améliorés », souligne Michel Blay. « Du plus à consommer et à produire, toujours associé à une stratégie marketing, autrement dit à une manière de vous faire acheter ce dont vous n’avez pas besoin », poursuit-il, partisan. Car pour le physicien, l’homme ainsi « augmenté » devient en réalité de plus en plus impotent.

Si l’innovation ne se trouve pas dans le panier des usagers, serait-elle, alors, dans leur environnement ?

Pour Michel Blay, rien n’est moins sûr. Les villes « intelligentes », selon lui, ne le sont certainement pas au sens des lumières. « Le terme d’intelligence a été avancé en premier par IBM, il doit donc être compris au sens anglais d’ « intelligence service », c’est-à-dire de « renseignement » », assure l’historien. Être connecté impliquerait donc de révéler ses faits et gestes à tout instant. Dans ce contexte, le citoyen se trouve en droit de se demander où on va, avec la culture de l’innovation.

Et pour cela, Michel Blay propose de comprendre d’abord d’où on part. D’après lui, la révolution conceptuelle profonde à l’origine du phénomène étudié touche surtout à l’idée de nature.

Et le monde devint machine « La façon d’imaginer, de penser le monde induit un certain fonctionnement », insiste-t-il. Les Grecs anciens, par exemple, comme ils dotaient la nature d’une dynamique interne, ne pouvaient pas concevoir la mécanique classique, illustre le physicien. Michel Blay relève alors deux temps importants dans l’histoire des sciences. Le premier se situe au 16e-17e siècle. L’astronome Nicolas Copernic, croyant, néoplatonicien, suit alors les cours de son mentor à Cracovie. Il adhère au projet de décrire un système dans lequel les mouvements des astres seraient « parfaits ». Mais, pour cela, la Terre doit être « pensée » comme parfaitement sphérique. Copernic introduit ainsi en

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quelque sorte l’idée d’une représentation contreintuitive du monde. Après lui, Galilée, guidé par sa formation d’ingénieur, ramène au contraire les astres à ce qu’il connaît de la Terre. Il rend ainsi enfin possible la mécanique. « Le monde devient machine », résume Michel Blay.

Le prochain temps fort a lieu au 19e siècle. Le monde-machine s’est alors étendu à la société humaine. « De plus en plus de gens travaillent dans des ateliers dans un souci d’optimisation de la production », note l’historien. Déjà, à la fin du 17e siècle, le physicien Guillaume Amontons proposait de calculer le nombre d’hommes qu’une machine pouvait remplacer. Il commence ainsi à calculer mécaniquement le travail des hommes.

En 1819, Henri Navier entend établir une sorte de monnaie mécanique avec laquelle estimer les quantités de travail employées pour effectuer toute espèce de fabrication. Gaspard Coriolis, à son tour, distingue le travail proprement dit de la faculté d’en produire, introduisant par là une notion d’énergie. « Après lui, il apparait que la nature toute entière recèle de l’énergie, y compris les hommes. On peut donc l’en extraire », explique Michel Blay. « Mais quand on produit ainsi pour innover, on détruit en même temps. Pour la première fois dans l’histoire, il me semble, la nature s’auto-détruit. Il y a donc, selon moi, une conception de la nature à repenser, un rapport au monde à réinventer », suggère le physicien.

Laurie CHIARA

contact : culture-sciences@unice.fr

Culture Sciences Rédaction Laurie Chiara - Service Culture-Sciences - Direction de la Culture Crédits photos : DSD - Service Communication - Christophe Rousseau - Mise en page : Emilie Deplantay

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