La possibilité d’observer les ondes gravitationnelles a ouvert la voie à deux nouvelles façons d’étudier l’univers : l’astronomie gravitationnelle et l’astronomie multimessager. En particulier, cette dernière est une nouvelle technique d’exploration de l’univers, basée sur l’étude d’un même phénomène avec différents instruments qui collectent des données provenant de différents messagers cosmiques : ondes gravitationnelles, rayonnement électromagnétique, neutrinos. Sa naissance remonte à 2017, avec la première observation d’une onde gravitationnelle générée par la fusion de deux étoiles à neutrons, pour laquelle il a été crucial de disposer d’un réseau mondial d’observatoires, avec les interféromètres LIGO aux États-Unis et Virgo en Italie, permettant la triangulation et donc la localisation de la source dans le ciel avec une bonne précision. Dès que le signal gravitationnel a été détecté, le réseau mondial d’interféromètres a, en effet, émis une alerte donnant des indications pour orienter les télescopes à rayonnement électromagnétique situés sur Terre et dans l’espace. Ces télescopes se sont donc réorientés en très peu de temps vers la zone du ciel d’où provenait le signal gravitationnel, captant des photons dans les différentes bandes (des ondes radio aux rayons gamma) produites lors de la puissante explosion causée par la fusion de deux étoiles à neutrons survenue à 130 millions d’années-lumière d’ici. Le processus de fusion des deux étoiles à neutrons a effectivement produit ce que l’on appelle une « kilonova », un phénomène au cours duquel la matière libérée lors de la collision est projetée violemment loin dans l’espace, donnant lieu à des processus de nucléosynthèse d’éléments lourds, tels que le plomb et l’or, qui sont ainsi répartis dans tout l’univers. Cette observation extraordinaire nous a permis de comprendre beaucoup de choses sur la formation des éléments : nous pouvons désormais affirmer que nous sommes, nous aussi, des « poussières » d’étoiles. Cette découverte a ouvert la voie à l’ère de l’astronomie multimessager, ainsi qu’à un nouveau défi dans l’étude de l’univers pour la communauté scientifique mondiale.

ET nous ramènera tant dans le passé de notre univers, jusqu’à la période sombre qui a suivi le Big Bang, que dans son avenir, en nous aidant à interpréter ce que pourrait être son destin. Il permettra de comprendre de quoi notre univers est fait et quels sont les mécanismes de ses événements astrophysiques les plus catastrophiques. En effet, nous ne connaissons que très peu de choses sur notre univers, à peine 5 % : la matière ordinaire dont nous sommes faits et tout ce que nous pouvons observer aujourd’hui. Quant au reste, environ 95 %, nous ne savons quasiment rien. Sur la base d’observations astrophysiques, nous pouvons seulement affirmer que 25 % sont constitués d’une autre forme de matière, appelée matière noire, et 70 % d’une mystérieuse énergie noire. La nature de ces deux éléments nous est inconnue, mais nous savons qu’ils ont joué un rôle décisif dans la formation de l’univers tel qu’il est aujourd’hui et qu’ils joueront un rôle tout aussi décisif dans son avenir. Peut-être que l’univers connaîtra une expansion de plus en plus rapide, nous condamnant à l’obscurité et à la mort thermique : la matière se décomposera, même les trous noirs s’évaporeront. Ou peut-être que l’accélération sera si violente qu’elle déchirera l’espace-temps, détruisant toutes les structures de l’univers. L’univers pourrait également ralentir son expansion, puis se contracter, revenant ainsi à la taille microscopique de ses débuts. Et peut-être que le processus pourrait se répéter dans une série infinie de cycles. À l’heure actuelle, nous ne pouvons pas le savoir : notre méconnaissance du contenu de l’univers se traduit inévitablement par notre incapacité actuelle à prédire son destin. Mais ET peut nous aider à comprendre l’énergie noire et la nature de la matière noire en étudiant les trous noirs primordiaux, les nuages d’axions et les accumulations de matière noire autour d’objets compacts.

ET permettra également d’étudier la physique à proximité de l’horizon des trous noirs, en mettant à l’épreuve la relativité générale dans des conditions extrêmes et en testant de nouvelles théories telles que la gravité quantique. Il sera également en mesure de vérifier d’éventuelles modifications de la relativité générale à l’échelle cosmologique.

ET pourra alors faire de l’astronomie gravitationnelle de précision et étudier l’ensemble de la population de trous noirs de masse stellaire et ceux de masse intermédiaire, accessibles tout au long de l’histoire de l’univers, afin de pouvoir comprendre leur origine (stellaire ou primordiale), leur évolution et leur démographie. ET observera la phase spiralante des étoiles à neutrons et fournira un aperçu sans précédent de la structure interne de ces corps célestes, tout en étudiant les propriétés fondamentales de la matière dans un régime totalement inexploré tel que la chromodynamique quantique dans des conditions d’ultradensité, ainsi que d’éventuels états exotiques de la matière. ET ouvrira la voie à un univers qui reste à découvrir.