L’astronomie gravitationnelle[1],[2], ou astronomie des ondes gravitationnelles, est la branche de l'astronomie qui observe les objets célestes grâce aux ondes gravitationnelles.
Les ondes gravitationnelles sont tout d'abord prédites par Albert Einstein lorsqu'il établit la théorie de la relativité générale, nouvelle théorie décrivant la gravitation en remplacement de la théorie établie par Isaac Newton au XVIIe siècle.
En 1974, Russell Alan Hulse et Joseph Hooton Taylor découvrirent le pulsar binaire PSR B1913+16, qui est constitué d'un pulsar et d'une étoile compagnon invisible mais qui est probablement aussi une étoile à neutrons. En 1979, des chercheurs ont présenté des mesures montrant une faible accélération des mouvements orbitaux du pulsar. Ce fut la première preuve que le système composé de ces deux masses mobiles émettait des ondes gravitationnelles. Hulse et Taylor partagèrent le prix Nobel de physique de 1993 « pour la découverte d'un nouveau type de pulsar, une découverte qui a ouvert de nouvelles possibilités pour l'étude de la gravitation[3] ».
Le , la collaboration LIGO-Virgo annonce officiellement que les deux observatoires de LIGO ont détecté le des ondes gravitationnelles, événement nommé GW150914, produites par la coalescence de deux trous noirs (Virgo ne l'ayant pas détecté car en travaux)[4].
Par la suite, deux autres détections réalisées par LIGO, en collaboration avec Virgo, sont confirmées : GW151226, détectée le et GW170104, détectée le . Un autre signal, LVT151012, détecté le n'a pas été confirmé. Fin 2018, la collaboration LIGO-Virgo annonce avoir détecté au total 11 événements astronomiques[5].
L'astronomie traditionnelle repose sur le rayonnement électromagnétique[6]. L'astronomie est née avec l'astronomie optique. Avec l'avancée des technologies, il est devenu possible d'observer d'autres parties du spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma. Chaque nouvelle fréquence a apporté une nouvelle perspective et annoncé de nouvelles découvertes[7]. À la fin du XXe siècle, la découverte des neutrinos solaires a fondé le domaine de l'astronomie neutrino, livrant un aperçu sur des phénomènes jusqu'alors invisibles comme le fonctionnement interne du Soleil[8],[9]. L'observation des ondes gravitationnelles fournit un autre moyen de réaliser des observations[10] grâce à la mise au point des détecteurs interférométriques[11].
Les ondes gravitationnelles fournissent des informations complémentaires à celles fournies par d'autres moyens. En combinant des observations d'un événement unique en utilisant différents moyens, il est possible d'obtenir une compréhension plus complète de la source de cet événement. Les ondes gravitationnelles peuvent également être utilisées pour observer des phénomènes qui sont invisibles (ou difficilement détectables) par d'autres méthodes, comme la mesure des propriétés d'un trou noir.
Les ondes gravitationnelles peuvent être émises par de nombreux systèmes mais, pour produire un signal détectable, la source doit être composé d'objets très compacts se déplaçant à une fraction significative de la vitesse de la lumière dans le vide. La principale source est un système binaire de deux objets compacts. Ceci inclut :
Aux systèmes binaires, il s'ajoute d'autres sources potentielles :
Les ondes gravitationnelles interagissent seulement faiblement avec la matière, c'est pourquoi elles sont difficiles à détecter. Ce qui signifie également qu'elles peuvent voyager librement à travers l'Univers et ne sont pas absorbées ou diffusées comme les ondes électromagnétiques. Par conséquent, il est possible de les utiliser pour observer le centre de systèmes denses comme le cœur de supernovae ou le centre galactique. Il est également possible de voir plus loin dans l'histoire de l'Univers qu'avec le rayonnement électromagnétique, les débuts de l'Univers étant opaques à la lumière avant la recombinaison mais transparents aux ondes gravitationnelles.
L'habileté des ondes gravitationnelles à se déplacer librement à travers la matière signifie aussi que les observatoires d'ondes gravitationnelles, à la différence des télescopes, ne sont pas pointés vers une seule zone du ciel mais observent le ciel entier. Les observatoires étant plus sensibles dans certaines directions, il est donc avantageux de posséder un réseau d'observatoires[28].