 Le prochain intervenant a reçu la médaille d'or du CNRS en 2017 pour ses travaux en physique théorique. Thibaut D'Amour est professeur permanent, justement, à l'IHES, pardon, depuis 1989 et il revient sur l'incroyable aventure scientifique des ondes gravitationnelles prédites en 1919 par Einstein et détectée pour la première fois en siècle plus tard. Thibaut D'Amour, bonsoir à vous. Donc j'aimerais parler dans le gravitationnel étrou noir. C'est un domaine scientifique qui a nécessité l'apport conceptuel de beaucoup de personnes depuis Einstein et Schwarzschild, Zeldovich de l'Union soviétique Freeman Dyson. L'histoire commence pendant la guerre de 14-18, à une période absolument dramatique où certains des collègues d'Einstein, des très grands chimistes, en fait travaillaient pour mettre au point des armes chimiques qui ont tué beaucoup de personnes. Einstein disait qu'il considérait qu'il était dans une maison de fous et il s'est enfermé dans sa propre recherche et pendant toute la guerre il a travaillé sur la construction d'une nouvelle théorie de la gravitation et il arrive aux équations, qui sont encore les équations qu'on utilise aujourd'hui de la théorie d'Einstein le 25 novembre 1915, il communique ses équations à un de ses collègues patriotes qui étaient officiers sur le front de l'est qui était calme et donc ce collègue Schwarzschild, dont le nom d'ailleurs veut dire bouclier noir, trouve la première solution exacte des équations d'Einstein qu'on appelle aujourd'hui trou noir et quelques mois plus tard Einstein, donc vous voyez, on a les équations de la théorie, un mois après on a ce qui deviendra plus tard un trou noir et quelques mois après Einstein trouve qu'il y a quelque chose qu'on appelle aujourd'hui honte gravitationnelle dans sa théorie alors je ne vais pas, je n'ai pas l'ambition de clair voisin de vous expliquer en détail toutes les équations de la théorie de la relativité générale je dirais simplement que l'idée essentielle c'est qu'espace et temps n'existe plus de façon séparée mais en fait forme un bloc où vous empilez les tranches successives d'espace dans la direction verticale donnée par le temps et ça donne un bloc espace-temps à quatre dimensions et derrière ces théories il y a des structures mathématiques géométriques en fait de l'espace-temps à la fois de l'espace-temps de la relativité restreinte et surtout de la relativité générale il y a des équations je ne vais pas parler de ces équations mais je vais essayer de vous donner une idée intuitive de ce que dit la théorie d'Einstein ce que dit la théorie d'Einstein en une phrase c'est que l'espace-temps est une structure élastique qui est déformée par la présence en son sein de masse ou d'énergie donc une structure donc il faut vraiment penser l'essentiel que j'espère vous retiendrez de cette soirée c'est que chez Einstein l'espace est comme ce délicieux dessert de nos voisins anglais jelly donc quelque chose à trois dimensions qui est élastique qu'est ce que ça veut dire que l'espace est élastique ça veut dire que ce qu'on a appris à l'école par exemple qui vient des grecs que quand j'ai un triangle la somme ABC la somme des angles d'un triangle est égal à 180 degrés ou deux droits comme on disait autrefois ou en radiant pi 3, 14, 150, 2, 6, 5, 3, 5, etc. et bien dans la théorie d'Einstein la somme des angles d'un triangle est bien égal à pi s'il n'y a pas de matière autour mais si vous remplissez le triangle en mettant une boule de matière et qui tient juste dans le triangle cette boule ayant une certaine masse m, j'ai la constant de gravitation, c'est la vitesse de lumière et r étant le rayon de cette boule qui tient dans le triangle et bien la somme des angles est un peu plus grand que pi d'un facteur 1 plus la masse divisé par le rayon c'est en ce sens très concret que la géométrie, la notion de distance d'angle est modifiée quand vous avez de la matière là donc les lois de la géométrie euclide sont modifiées et le temps aussi est modifié maintenant qu'est-ce que c'est qu'une onde gravitationnelle si vous imaginez que l'espace entre nous et ce milieu élastique, cette gelée et bien c'est une onde de vibration de la gelée espace comme tout milieu élastique si vous mettez en vibration un milieu comme ça qui est élastique il va y avoir des ondes de déformation de ce milieu qui vont se propager et Einstein a démontré qu'elles étaient les caractéristiques de saison de déformation mais pendant 40 ans en fait les scientifiques avaient l'esprit confus pour savoir si saison d'était quelque chose de réel ou quelque chose de fictif qui était lié à un choix de système de coordonnée enfin peu à porte même si en fait dans l'intervalle les mathématiciens avaient démontré qu'il y avait quelque chose de réel les physiciens n'avaient pas encore compris mais le premier physicien qui a compris vraiment que les ondes gravitationnelles étaient réelles c'est un expérimentateur Joe Weber qui a compris qu'on pouvait avoir des détecteurs pour mesurer des ondes gravitationnelles émises par des mouvements de masse très lointaines dans l'univers et donc il a compris si on pouvait observer ça avec un appareil qu'il a réalisé c'était qu'il y avait quelque chose de réel et en fait il a compris que si quand une ondes gravitationnelle passe elle va déformer les distances et les objets plongés dans l'espace en les étirant dans une direction pendant une demi période et en les écrasant dans l'eau direction et en faisant une demi période plus tard l'effet contraire donc ce sont des ondes de déformation de la géométrie qui se propagent à la vitesse de la lumière à partir de la source voilà je vous ai défini la théorie d'Einstein ce qu'est une ondes gravitationnelle qu'est ce que c'est qu'un trou noir alors un trou noir quelque chose d'ailleurs il a fallu 50 ans après la découverte mathématique de cette solution exacte par Schwarzschild qui est celle là ça c'est une équation qui se trouve dans l'article qui a été publié en janvier 1916 par Karl Schwarzschild qui contient cette formule donc une certaine formule mathématique mais qui a été un point aveugle de compréhension conceptuelle pendant 50 ans parce que cette formule contient des 1 sur quelque chose qui peut tendre vers 0 donc 1 sur 0 c'est l'infini et donc pendant longtemps les gens ne savaient pas quoi faire avec cette solution et doutaient de sa pertinence au monde réel le 1ère personne qui a vraiment compris que de telles solutions des équations d'Einstein pouvaient correspondre à des objets physiques qui vont être créés dans l'univers c'est en fait Oppenheimer juste avant qui dirige le projet Manhattan dont Cédric a parlé en 1939 et ce qu'a compris Oppenheimer mais en fait il l'avait compris encore pas complètement et il a fallu encore 30 ans on ne peut pas arriver à comprendre la structure physique et mathématique l'école russe a joué un rôle important là-dedans et l'école anglaise c'est je vais pas décrire en détail mais si vous avez quelque part dans l'espace une étoile morte qui a épuisé son carburant nucléaire et qui n'ayant plus de pression interne pour soutenir la masse qui tend à la contracter sur elle-même s'effondre sur elle-même et bien lorsqu'elle s'effondre elle va déformer très profondément la gelée espace en créant là où elle s'effondre autour de la région où elle s'effondre une zone où l'espace est tellement déformé qu'en un certain sens intuitif l'espace devient comme un liquide qui s'écoule tellement il est déformé par la concentration de matière vers le centre et la lumière qui est dans cette région d'espace qui essaye de sortir de cette région est comme un insecte qui essaye de remonter un courant qui est tellement fort que l'insecte s'il va pas plus vite à la même vitesse que le courant qui va un sens inverse fait du sur place par rapport à l'infini donc entre noirs c'est une région de l'espace entouré d'une espèce de sphère qui est une bulle une bulle de lumière qui essaye de partir vers l'extérieur mais qui fait du sur place la lumière va à la vitesse de la lumière mais en vue de l'infini elle ne bouge pas c'est ça la définition d'un trou noir qu'est la première personne qui a compris que les ondes gravitationnelles ce n'était pas quelque chose de numériquement négligeable comme tout le monde le pensait avant y compris Einstein et Landau Lechitz c'est Freeman Dyson un très grand physicien qui s'est dit si j'ai deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs mais à l'époque même l'étoile à neutrons n'était pas un concept accepté ni le trou noir mais il avait été un visionnaire qui tourne le haut tour de l'autre d'après Einstein et d'autres ces deux étoiles à neutrons vont si vous voulez remuer la gelée espace autour d'elle et donc créer des ondes de vibration de l'espace qui vont partir à l'infini elles vont partir en emportant une partie de l'énergie du système et donc ce mouvement des deux étoiles à neutrons perdant de l'énergie va se rapprocher parce qu'il y a à cause de l'énergie potentielle il y a moins d'énergie qu'on est plus proche et du coup vont aller plus vite autour de l'autre pendant très longtemps ce mouvement est très lent et pratiquement négligeable mais l'idée Dyson c'est que si vous continuez jusqu'au bout la distance entre les décors va tendre vers zéro et donc ces deux objets vont tourner de plus en plus vite et pendant les dernières orbites vont émettre une onde gravitationnelle d'une intensité inimaginable comme il a dit et il a dit il faudrait que l'appareil du genre de ceux de Joe Weber surveille ça et c'est exactement ce qui s'est passé en 2015 est-ce que vous pouvez lancer la simulation est-ce que quelqu'un peut cliquer sur l'ordinateur pour que ça marche donc voilà une méthode qui a été inventée à l'IHS et développée à l'IHS a permis de calculer le mouvement de deux trous noirs tournant le haut de l'autre, ici vous avez le mouvement relatif des deux trous noirs et de calculer en même temps l'onde gravitationnelle émise par ces deux trous noirs jusqu'au moment où les deux trous noirs vont fusionner vont être tellement proches qu'ils ne vont plus être deux objets séparés mais formés un seul trou noir final qui au moment où ce trou noir final est formé en fait vous formez un trou noir plus gros mais qui n'est pas à l'équilibre et qui vibre sur lui même pour revenir à l'équilibre en émettant des ondes caractéristiques comme une cloche sur laquelle on cogne émet des ondes caractéristiques à la fin de la fusion des deux trous noirs cette prédiction théorique a été faite dès 2000, 5 ans avant que les calculs numériques permettent de confirmer et d'améliorer ce résultat et comme je vais le discuter à l'instant cela a permis de calculer les formes d'ondes qui ont été utilisées par l'expérience LIGO et suivie de l'expérience Virgo qui a permis de détecter les ondes gravitationnelles la création de détecteurs interformés d'ondes gravitationnelles est une idée qui a aussi été développée pendant 40 ans cela consiste à faire circuler de la lumière entre des miroirs des miroirs séparés de 4 km et quand une onde gravitationnelle passe, comme je l'ai dit avant cela change les distances, il y a un axe par exemple entre deux miroirs qui raccourcient l'autre qui est étiré et du coup vous voyez quelque chose dans la frange d'interférence de ces miroirs ici vous avez les données brutes de la première observation d'ondes gravitationnelles faite dans l'histoire de l'humanité qui est arrivée le 14 septembre 2015 et vous voyez ici ce qu'ont vu les détecteurs c'est à dire le changement de longueur des bras mais vous pourriez penser que ça, ce que vous voyez c'est une onde gravitationnelle, ça bouge comme ça mais en fait ça n'est pas du tout l'onde gravitationnelle parce que l'onde gravitationnelle est mille fois plus petite c'est à dire ce que vous voyez c'est du bruit et il faut chercher un facteur mille en dessous pour arriver à voir l'onde gravitationnelle ce qui veut dire ce qui est toujours mind-boggling qui est vraiment fait, je ne sais pas comment on dit en français la variation de distance entre les miroirs séparés de 4 km au moment où l'onde gravitationnelle est passée correspondait au milliardième de la taille d'un atome autrement dit c'est zéro mais c'est ce tout petit effet qui a été observé en allant le chercher dans le bruit par des méthodes dits de filtres adaptés des méthodes du genre d'analyse du signal qu'est-ce que, pourquoi la découverte des ondes gravitationnelles est importante elle est importante à plusieurs niveaux d'abord ça nous a donné la première preuve directe de l'existence des trous noirs les seules preuves qu'on avait astrophysiques de l'existence des trous noirs a été relativement convaincante mais toujours indirect ne permettait pas de voir la structure du trous noir alors que là pour la première fois on a vu fusionner parce que le signal à la fin du long gravitationnel est mis par les deux trous noirs au moment où ils fusionnent et lié à la structure prédite par la théorie d'Einstein pour ce qui se passe quand deux trous noirs fusionnent et quels sont les modes de vibration d'un trous noir et ici il y a une figure qui permet de façon encore grossière mais que c'est la première confirmation relativement directe qu'on a bien vu deux trous noirs tel qu'ils se sont prévus par la théorie d'Einstein fusionner un autre événement remarquable obtenu par les ondes gravitationnelles au mois d'août 2017 est la première observation de systèmes dont par les Freemans de Dyson c'est-à-dire non pas la fusion de deux trous noirs mais la fusion de deux étoiles à neutrons deux étoiles mortes ayant la taille chacune de Paris et ces deux étoiles ont fusionné pour faire une structure assez compliquée qu'on ne connaît pas en détail mais qui ont émis des ondes électromagnétiques en fait une bouffée de rayon gamma suivi d'autres signaux électromagnétiques donc c'est le début de ce qu'on appelle l'astronomie multimessager messenger, messager c'est-à-dire où l'on voit à la fois des ondes gravitationnelles et aussi des ondes électromagnétiques et aussi ça a donné des confirmations et des tests de toute théorie de la gravitation en particulier cette expérience a montré que la vitesse de propagation de la gravitation ne diffère de la vitesse de la propagation de la lumière au maximum que de une partie en dispuissance 15 10 moins 15 la théorie d'Einstein prédit qu'elles sont exactement égales l'une à l'autre donc c'est une confirmation de la théorie mais ça aussi met des limites surtout aux théories ici je vous ai parlé des trous noirs mais vous voyez que tout ce que je vous ai dit sur la théorie d'Einstein la gravitation et la théorie des trous noirs à l'intérieur de la théorie d'Einstein était dans le cadre d'une description classique de l'espace et du temps c'est-à-dire on utilisait une description de la réalité qui utilisait la vitesse de la lumière qui est le fondement de la relativité restreinte la constante de gravitation qui est le fondement de la théorie de la gravitation Newton et mélangé à la vitesse de la lumière de la théorie de la gravitation d'Einstein mais qui n'utilisait pas la troisième constante fondamentale de la physique découverte en 1900 par Max Planck qui est la constante H ou H bar quand on la divise par 2 pi qui quand on essaye de mettre ensemble la relativité restreinte, la relativité générale et la physique quantique et qu'on se pose la question quelle est la physique des trous noirs en présence des effets du monde quantique et bien il se passe des choses très intéressantes qui ont été intuitées d'abord par un jeune israélien qui avait une vingtaine d'années Jacob Baconstein en 1972 puis amélioré par Stephen enfin complété de façon très importante par Stephen Hawking qui voulait démontrer, c'était une des choses que disait Cédric mettre un défi aux autres Stephen voulait démontrer que tout ce que disait Jacob Baconstein était faux et il s'est dit je vais faire un calcul pour montrer que c'est faux seulement son calcul a montré que c'était tout vrai et encore plus intéressant que ce qu'on pensait Stephen a montré que quand on mélange théorie des trous noirs et physique quantique et bien le trou noir dont je vous rappelle la définition était que le trou noir était une bulle d'où la lumière ne pouvait pas sortir donc c'est un objet noir parce que rien ne peut en sortir comme rien ne va plus vite que la lumière sauf qu'en physique quantique il en sort de la chaleur en permanence donc un trou noir s'évapore mais on est sûr que Stephen a raison le trou noir s'évapore mais on ne comprend toujours pas ce qui se passe à la fin de ce processus d'évaporation le trou noir s'évapore s'évapore s'évapore et à la fin il ne reste plus rien qu'est-ce qu'il en est de la préservation de ce qu'on appelle la pureté de l'état quantique c'est un problème qui ne pas résolu donc vous voyez qu'on comprend beaucoup de choses sur les trous noirs mais il y a encore des choses qui ne sont pas comprises pour finir j'aimerais résumer en disant que un siècle après les fondations théoriques de la relativité générale le développement de l'astrophysique sur les observations des interferons met l'aigo et virgo on a vu pour la première fois l'espace angestanien élastique vibré on a la première preuve direct ou presque direct de l'existence des trous noirs cet événement qui a commencé en 2015 est historiquement aussi important que la première fois que Galilé a levé sa lunette pour voir des choses nouvelles dans l'univers Galilé, ça n'est aussi que le début l'univers de Galilé n'a vu que des choses assez grossièrement mais a été une révolution là aussi on a vu des choses encore grossièrement et il va y avoir des centaines d'années de développement autour des ongarrées stationnelles le deuxième point que je voulais résumer c'est que la prédiction théorique de la forme du signal a été très importante pour arriver à le sortir du bruit et l'IHES a joué un rôle central là-dedans et pour finir j'aimerais indiquer remercier encore personnellement la structure de l'IHES avec la total liberté de travail, l'absence de programmation de recherche et l'invitation de beaucoup de visiteurs et de postdocs qui permettent de travailler de façon merveilleuse et pour finir j'aimerais rappeler que l'IHES pourrait prendre comme devise ce qui d'après Piotr Grinevich pourrait être la devise de l'Institut Landau en Russie, un des plus grands instituts de physique théorique historique du monde qu'il est important de planter des arbres c'est-à-dire laisser des programmes à long terme se développer plutôt que seulement semer du blé merci voilà Thibaud Amour merci beaucoup Thibaud Amour pour cette présentation alors il y a beaucoup de messages qui sont arrivés pendant que vous parliez justement sur Twitter avec toujours le hashtag savonmélange et en particulier sur les trous noirs il y a une question du lycée Benjamin Franklin d'Orléans qui est la suivante qu'est-ce qui vous a poussé tout simplement à les étudier ces trous noirs et à vous y intéresser ah il se trouve que quand j'étais gamin à 14 ans j'étais fasciné par la théorie d'Einstein et en étudiant les articles d'Einstein j'ai trouvé moi même une erreur dans certains articles d'Einstein donc j'ai été accroché assez tôt mais c'était une fascination personnelle qui était importante en physique ou pas mais je sentais intuitivement sans savoir rien parce que ma famille n'était pas scientifique qui avait là un domaine intéressant et j'ai eu la chance que la nature apporte des objets qui permettent au calcul que j'ai fait d'être utile il y a une deuxième question toujours sur les trous noirs est-ce qu'un trou noir pourrait cacher de la matière noir certaines personnes le pensent mais je pense que c'est plus probable question très courte merci beaucoup autre question d'auditeur enfin d'auditeur pardon du public des formations radiophoniques vous avez pu y des ouvrages pour le grand public notamment en bande dessinée sur le monde quantique pour quelle raison est-ce que vous l'avez fait Thibaud Amour je l'ai fait parce que comme le rappelait aussi Cédric quand j'étais gamin ma mère m'a acheté des livres de vulgarisation sur la science et ça a contribué de toute façon essentielle à mon intérêt pour la science et je voulais rendre un peu écrire des choses qui expliquent des choses qui sont en général à mon avis mal expliquées sur la physique quantique pour partager ce que j'ai appris pendant ma carrière 50 000 exemplaires vendus donc ça a été un énorme succès ce qui veut dire que le grand public qui a priori n'a pas de connaissance très poussée sur la mécanique quantique il n'y a pas une équation on peut s'y intéresser c'est une belle histoire avec un détective et son chien vous qui êtes à l'IHS depuis près de 30 ans qu'est-ce qui vous pousse à rester dans ce lieu Thibaud Amour à part les arbres, la forêt et le cadre extraordinaire c'est un lieu merveilleux pour travailler d'abord ma vie c'est le travail c'est-à-dire quand on est scientifique c'est pour travailler c'est une passion qui vous dévore et pouvoir mener à bien cette passion dans un beau cadre en discutant avec des gens intéressants en pouvant avoir des collaborateurs tout le temps c'est le bonheur total ça prédispose justement à la fulgurance des idées et l'illumination comme le disait tout à l'heure Cédric Villani oui le mélange du temps de la réflexion calme et des discussions face au tableau noir deux personnes comme deux Sylex qui se frappent face au tableau noir il y a des idées et nouvelles qui surgissent on verra un petit film sur les tableaux noirs de l'IHS dernière question Thibaud Amour toujours sur Twitter la mathématique est-elle un outil pour la physique ou la physique une application des mathématiques les deux on termine là-dessus Thibaud Amour merci beaucoup