Géosciences et Astrophysique s’allient pour étudier les ondes gravitationnelles

L’appel à projet annuel CCE (Crossing Cutting Edges), lancé chaque année dans le cadre du projet structurant FIRE-UP, soutient l’interdisciplinarité, pilier de l’Université Paris Cité, en finançant des projets doctoraux et post-doctoraux trans-facultaires ou trans-institutionnels. Lauréat de l’édition 2024, Léon Vidal, post-doctorant en physique de l’univers à l’Université Paris Cité, conduit ses recherches sur la faisabilité de détecter des ondes gravitationnelles via la lune. Les résultats de ce projet qui réunit le laboratoire APC₁ et l’IPGP₂, contribueront à une meilleure compréhension des ondes gravitationnelles.

Aujourd’hui, les ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations de l’espace-temps se propageant à la vitesse de la lumière, sont très difficilement détectables. Elles nous permettent pourtant d’observer des phénomènes extrêmes, comme les collisions de trous noirs, et d’explorer l’Univers autrement que par la lumière.

« La bande de fréquences utilisée sur terre pour détecter les ondes gravitationnelles est en partie limitée par le bruit sismique, causé par différents phénomènes comme le vent, l’impact des vagues sur les côtes et l’activité humaine » indique Léon Vidal.

Pour remédier à ce problème, le post-doctorant travaille sur la faisabilité d’une solution qui consiste à installer un détecteur d’ondes gravitationnelles sur la lune.

« Sur la lune, l’atmosphère est négligeable par rapport à celle de la Terre, l’activité sismique est très faible et il n’y a pas d’activité humaine. Le bruit est donc très réduit, ce qui faciliterait la détection d’ondes gravitationnelles » explique Léon Vidal.

L’idée est que le détecteur se base sur les vibrations de la lune pour détecter le passage d’ondes gravitationnelles. Pour cela, il faut connaître la structure géophysique de la lune car celle-ci conditionne comment elle vibre lorsqu’une onde la traverse. Les géophysiciens de l’IPGP, en collaboration avec le laboratoire APC ont alors développé des modèles théoriques qui ont permis de déterminer la bande de fréquence propre à l’astre. Cette bande pourra à la fois être utilisée par les astrophysiciens pour détecter les ondes gravitationnelles et par les géophysiciens pour étudier l’activité sismique.

Pour la partie géosciences, « certaines études récentes de l’environnement sismique lunaire semble montrer que la lune pourrait, à ce jour, constituer un environnement propice à la détection des ondes gravitationnelles » indique Léon Vidal.

Pour la partie astrophysique, le jeune chercheur développe un modèle de bruit complet de l’instrument de détection qui sera utilisé.

« Le modèle prendra en compte dans un premier temps, les bruits provenant de l’instrument, et dans un second temps, les effets de l’environnement lunaire » explique Léon Vidal.

Une interdisciplinarité essentielle pour un projet scientifique d’envergure

L’intérêt du dispositif développé dans ce projet est double : pour les astrophysiciens, le dispositif permettrait d’étudier les ondes gravitationnelles tandis que pour les géophysiciens, un tel dispositif permettrait d’étudier la science lunaire : la composition et la structure de la lune et des scénarios de formation par exemple. Pour Léon Vidal, un tel dispositif qui allierait étude géophysique et astrophysique sur la lune serait une première.

Pour développer ce dispositif, la complémentarité de l’astrophysique et des géosciences est essentielle. Elle a permis et permet encore de produire des résultats qui n’auraient jamais existé si ces disciplines étaient restées cloisonnées. Cette interdisciplinarité génère toutefois des défis à relever pour les scientifiques, notamment en matière de communication. Léon Vidal souligne ainsi qu’il a fallu adapter son langage d’astrophysicien à celui des géophysiciens pour dialoguer et échanger des résultats.

Si la faisabilité d’un détecteur lunaire se confirme, ce dispositif pourrait s’inscrire dans les futures missions d’exploration de la lune, notamment dans le cadre de programmes spatiaux internationaux. Cela permettrait non seulement d’élargir les observations des ondes gravitationnelles à des fréquences alors inaccessibles, mais aussi d’approfondir la compréhension de la structure interne de la lune.

1 : AstroParticule et Cosmologie [Université Paris Cité/CNRS (UMR 7164)]

2 : Institut de Physique du Globe de Paris [Université Paris Cité/CNRS/Université de La Réunion/IGN (UMR 7154)]

En savoir plus

Découvrez deux autres projets lauréats de l’appel CCE

• Lauréate de l’édition 2023, Joséphine Schelle, doctorante en mécanobiologie à l’Université Paris Cité, étudie le glioblastome multiforme, un cancer du cerveau particulièrement agressif.

• Lauréate de l’édition 2022, Anna-Veera Seppanen, post-doctorante en épidémiologie à l’Université Paris Cité, s’intéresse aux enfants grands prématurés et à leur recours aux services de santé et aux coûts associés