Les ondes gravitationnelles expliquées

Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l’espace-temps lui-même, prédites par Albert Einstein en 1916 et détectées pour la première fois le 14 septembre 2015 par les deux interféromètres américains LIGO. Quand deux trous noirs fusionnent, l’espace ondule comme la surface d’un étang après la chute d’un caillou, et ces ondulations traversent la Terre en l’étirant d’une quantité infime : moins d’un millième du diamètre d’un proton sur quatre kilomètres. Dix ans après cette première, le catalogue cumulé GWTC de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA recense 391 événements confirmés, dont l’écrasante majorité sont des fusions de trous noirs (compteur interrogé via l’API publique du GWOSC en juillet 2026). Cet article explique ce que sont ces ondes, comment des instruments kilométriques parviennent à les mesurer, ce qu’elles nous ont déjà appris, et ce que la suite européenne — mission LISA de l’ESA, Einstein Telescope — pourrait entendre.

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

Dans la relativité générale, publiée par Einstein en 1915, la gravitation n’est pas une force qui s’exerce à distance : c’est une déformation de l’espace-temps par la masse. Une étoile creuse l’espace autour d’elle comme une boule de pétanque posée sur un drap tendu. En 1916, Einstein tire une conséquence de ses propres équations : si des masses très compactes s’accélèrent violemment, la déformation ne reste pas sur place. Elle se propage, à la vitesse de la lumière, sous forme d’ondulations de l’espace-temps. Ce sont les ondes gravitationnelles.

Concrètement, au passage d’une onde, les distances elles-mêmes changent : l’espace s’étire dans une direction et se comprime dans l’autre, alternativement. L’effet est réel mais minuscule. Pour les événements que nous détectons, la variation relative est de l’ordre de un pour un milliard de milliards. C’est l’équivalent d’un cheveu ajouté ou retiré sur la distance qui nous sépare de Proxima du Centaure. Voilà pourquoi il a fallu un siècle entre la prédiction et la première mesure directe.

Seuls les objets les plus extrêmes de l’Univers produisent des ondes détectables depuis la Terre : couples de trous noirs en spirale, paires d’étoiles à neutrons, peut-être certaines supernovas. Si vous voulez d’abord réviser qu’est-ce qu’un trou noir, l’essentiel de la suite n’en sera que plus clair.

Comment les détecte-t-on ? L’interféromètre laser

L’instrument roi s’appelle l’interféromètre laser. Le principe tient en trois éléments : un laser, deux bras perpendiculaires de plusieurs kilomètres, des miroirs suspendus à chaque extrémité. Le faisceau laser est divisé en deux, chaque moitié fait l’aller-retour dans un bras, puis les deux faisceaux sont recombinés. Tant que les bras font exactement la même longueur, les ondes lumineuses s’annulent à la sortie. Si une onde gravitationnelle passe, elle allonge un bras et raccourcit l’autre pendant une fraction de seconde : l’annulation n’est plus parfaite, et un signal lumineux apparaît sur le détecteur.

Trois réseaux se partagent aujourd’hui cette chasse. Les deux LIGO américains (Hanford et Livingston) ont des bras de 4 km. Virgo, installé près de Pise en Italie et opéré par l’EGO, une collaboration où la France joue un rôle central via le CNRS, a des bras de 3 km. KAGRA, au Japon, est construit sous une montagne et refroidit ses miroirs pour réduire le bruit thermique. Travailler à plusieurs détecteurs n’est pas un luxe : c’est la comparaison des heures d’arrivée du signal sur chaque site qui permet de trianguler la position de la source dans le ciel.

La précision requise donne le vertige. Sur les 4 km d’un bras de LIGO, le passage d’une onde change la longueur d’environ un dix-millième du diamètre d’un proton. Les miroirs sont suspendus à des pendules en cascade pour les isoler des vibrations du sol, et le moindre camion sur une route voisine se voit dans les données.

Le tableau de chasse : 391 détections confirmées

C’est le chiffre que les pages françaises donnent rarement : la première détection de 2015 n’est plus un exploit isolé, c’est le début d’un recensement. Au moment où nous écrivons, le catalogue cumulé GWTC de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA compte 391 événements confirmés, toutes campagnes confondues (décompte effectué via l’API publique du GWOSC, le portail de données ouvertes des collaborations, en juillet 2026). Voici la progression campagne par campagne.

Source : catalogue cumulé GWTC, API GWOSC, interrogée en juillet 2026.

La ventilation par type de source raconte une deuxième histoire. Parmi les événements dont les masses ont été publiées, les fusions de deux trous noirs dominent très largement ; les fusions d’étoiles à neutrons restent rarissimes.

Classement établi par la rédaction à partir des masses publiées dans le catalogue GWTC (API GWOSC, juillet 2026) : au-dessus de 3 masses solaires, l’objet est compté comme trou noir.

Ce que ces ondes nous ont déjà appris

La première détection, GW150914, a été enregistrée le 14 septembre 2015 et annoncée au monde le 11 février 2016, après des mois de vérifications. Deux trous noirs d’environ 36 et 29 masses solaires ont fusionné à plus d’un milliard d’années-lumière, en convertissant l’équivalent de trois masses solaires en pure énergie gravitationnelle. Cette mesure a valu le prix Nobel de physique 2017 à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne. Elle confirmait une prédiction déjà étayée indirectement : dès les années 1970, le pulsar binaire découvert par Russell Hulse et Joseph Taylor perdait de l’énergie exactement au rythme prévu par la relativité générale, ce qui leur avait valu le Nobel 1993.

Le 17 août 2017, GW170817 a ouvert un autre chapitre : la fusion de deux étoiles à neutrons, suivie moins de deux secondes plus tard d’un sursaut gamma, puis d’une contrepartie lumineuse observée par des dizaines de télescopes — une kilonova, dans la galaxie NGC 4993. C’est l’acte de naissance de l’astronomie dite multi-messagers : le même événement vu à la fois en ondes gravitationnelles et en lumière. Au passage, cette observation a montré que les ondes gravitationnelles voyagent bien à la vitesse de la lumière et que ces fusions fabriquent des éléments lourds comme l’or et le platine.

Le reste du catalogue fait un travail moins spectaculaire mais tout aussi précieux : recenser la population des trous noirs, leurs masses, leurs rotations, leur fréquence de fusion au fil de l’histoire cosmique. Une donnée qu’aucun télescope classique — pas même l’autre grand observatoire de la décennie — ne peut fournir, puisque ces couples de trous noirs n’émettent aucune lumière.

La suite : LISA, Einstein Telescope et les pulsars

Les détecteurs terrestres n’entendent que les fréquences hautes, celles des derniers instants d’une fusion. Pour écouter plus grave — les couples de trous noirs supermassifs au cœur des galaxies —, il faut des bras beaucoup plus longs. C’est le pari de la mission LISA de l’ESA : trois satellites en formation triangulaire, séparés de 2,5 millions de kilomètres, échangeant des faisceaux laser. La mission a été formellement adoptée par l’ESA en janvier 2024 et son lancement est visé vers 2035, selon l’agence — une échéance qui, comme toujours dans le spatial, pourrait glisser.

Sur Terre, l’Europe prépare l’Einstein Telescope, un interféromètre souterrain de nouvelle génération avec des bras d’environ 10 km, dont le site d’implantation restait à trancher à l’heure où nous écrivons. Son objectif affiché : détecter des fusions jusqu’aux confins de l’Univers observable. Enfin, une troisième technique n’utilise aucun laser : les réseaux de chronométrage de pulsars, qui mesurent d’infimes retards dans le tic-tac de dizaines de pulsars. En juin 2023, plusieurs collaborations, dont NANOGrav, ont annoncé des indices concordants d’un fond d’ondes gravitationnelles de très basse fréquence baignant toute la galaxie.

Ce qu’on ignore encore

Beaucoup de choses, et c’est tant mieux. La nature exacte de ce fond stochastique repéré par les pulsars n’est pas tranchée : somme de trous noirs supermassifs en couples, ou écho de processus plus exotiques du tout premier Univers ? Nous ne savons pas non plus si certains trous noirs détectés pourraient être primordiaux, c’est-à-dire nés juste après le Big Bang plutôt que de l’effondrement d’étoiles. Et personne ne peut dire aujourd’hui ce que LISA entendra en premier : ses fréquences n’ont jamais été écoutées. En 2015, la première campagne de LIGO avait livré une fusion inattendue en quelques jours. Nous mettrons cette page à jour à chaque nouveau catalogue publié.

FAQ — ondes gravitationnelles

Qui a détecté la première onde gravitationnelle ?

Les deux interféromètres américains LIGO, le 14 septembre 2015. Le signal, baptisé GW150914, provenait de la fusion de deux trous noirs et a été annoncé publiquement le 11 février 2016. Cette découverte a valu le prix Nobel de physique 2017 à Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne.

À quoi servent les ondes gravitationnelles ?

Elles permettent d’observer des objets qui n’émettent aucune lumière, comme les couples de trous noirs, et de tester la relativité générale dans des conditions extrêmes. Depuis 2017, elles servent aussi de signal d’alerte pour pointer les télescopes vers des fusions d’étoiles à neutrons, sources d’éléments lourds comme l’or.

Peut-on sentir une onde gravitationnelle ?

Non. Au passage d’une onde détectée sur Terre, votre corps est étiré et comprimé d’une quantité des milliards de milliards de fois plus petite qu’un atome. Il faut des instruments kilométriques et des lasers ultra-stables pour mesurer un effet aussi faible.

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