Deux bras bleus de 3 kilomètres de long, placés à angle droit, décrivent une étrange figure géométrique au coeur de la vaste plaine alluviale de l'Arno, à une quinzaine de kilomètres au sud-est de Pise. L'instrument franco-italien Virgo surprend par sa taille et sa forme, mais encore plus par sa raison d'être : détecter les infimes ondes gravitationnelles qui traversent l'univers, selon la théorie de la relativité générale.

Prédites dès 1916 par Einstein, ces ondes n'ont encore jamais été détectées de manière directe, même si des astronomes pensent avoir identifié leur signature dans un lointain couple de pulsars.

«Une onde gravitationnelle, c'est difficile à imaginer, on ne peut pas la voir, concède en souriant Michel Davier, physicien au Laboratoire de l'accélérateur linéaire à Orsay, et un des initiateurs français de Virgo. Il faut imaginer une perturbation qui déforme l'espace-temps lors de son passage.» Une analogie célèbre consiste à représenter l'espace comme une fine bâche de caoutchouc tendue. Pour Einstein, la courbure de l'espace-temps par la gravitation est comparable à l'effet d'une bille posée sur la surface en caoutchouc. Dans cet exemple, certains événements violents concernant des objets massifs et très compacts, comme des trous noirs, des couples d'étoiles à neutrons ou encore des supernovas, provoquent des perturbations de l'espace-temps lui-même, des ondes gravitationnelles, comparables à des plis qui se déplacent le long de la bâche en caoutchouc. «Les ondes gravitationnelles se propagent dans l'univers à la vitesse de la lumière comme des rides à la surface de l'eau après la chute d'un caillou dans la mare», simplifie d'une autre manière Daniel Enard, directeur adjoint d'EGO, l'observatoire gravitationnel européen qui gère le programme Virgo pour le CNRS (Centre national de la recherche scientifique) et l'INFN (Institut national italien de physique nucléaire).

Mais, malheureusement pour les physiciens et les astronomes, ces soubresauts de la trame du cosmos sont d'une amplitude extrêmement faible. Il est par exemple impossible de créer des ondes gravitationnelles en laboratoire en faisant choquer des billes. Il faut plutôt se tourner vers les événements les plus violents de l'univers, trous noirs et étoiles à neutrons qui fusionnent. Et, même dans ces cas extrêmes, le signal recherché est tellement faible qu'il pousse les scientifiques à mettre au point des instruments aux limites de la technologie actuelle.

Sur le papier, le principe de détection de Virgo est simple. Aux extrémités du triangle rectangle de 3 kilomètres de côté se trouvent trois points fixes. Quand une onde gravitationnelle arrive à la verticale du site, elle déforme l'espace et fait varier la distance entre les trois points : un bras se raccourcit alors que l'autre s'allonge. La variation de distance est mesurée à l'aide d'un laser qui passe dans des tubes sous vide à l'intérieur des tunnels, et qui met plus ou moins de temps pour faire un aller-retour. Plus la distance parcourue par le laser est grande, plus les variations de temps de parcours seront facilement mesurables, d'où les dimensions gigantesques de Virgo. D'autre part, par un astucieux dispositif de miroirs qui multiplient par 50 le nombre de passages du laser dans un même tunnel, les scientifiques ont réussi à faire de Virgo l'équivalent d'un détecteur de 150 kilomètres de côté. Malgré cela, les ondes sont tellement faibles qu'il faut être capable de mesurer une différence de parcours du laser de 10 -18 mètre, soit un millième de la taille d'un noyau d'atome. Cette sensibilité extrême demande une isolation parfaite des instruments, des miroirs et tous les dispositifs optiques, pour éviter que les mesures ne soient parasitées par des bruits de fond. L'équivalent américain de Virgo, appelé Ligo, est ainsi confronté à d'importants problèmes car l'instrument est sensible à la chute d'arbres coupés par des bûcherons à des kilomètres de là. Il n'est pas encore opérationnel.

Les scientifiques français et italiens partent avec un peu de retard sur les Américains, mais ils ont beaucoup travaillé pour protéger leurs dispositifs des perturbations néfastes. Les petits miroirs de 10 centimètres de haut disposés aux extrémités des deux tunnels sont ainsi isolés de l'extérieur par d'impressionnants dispositifs de suspensions amortis faisant près de 10 mètres de haut.

L'instrument est tellement inédit et complexe qu'il devra falloir au moins un an pour qu'il atteigne sa sensibilité visée. Une fois ce premier défi réalisé, Virgo essaiera ensuite de vérifier que ces mystérieuses ondes gravitationnelles existent bien. «La première détection se fera sans doute avec un peu de chance, explique Daniel Enard. L'idéal serait de tomber rapidement sur un événement très violent pas trop loin de nous, comme une supernova dans notre propre galaxie par exemple.» Par la suite, plus l'instrument sera sensible et plus il pourra «voir» loin, plus il pourra détecter de nombreuses sources d'ondes gravitationnelles.