Les dommages retardent le redémarrage du détecteur géant italien d'ondes gravitationnelles

Plus tard ce mois-ci, les physiciens reprendront leur chasse aux monstres astrophysiques : des trous noirs et des étoiles à neutrons qui se cognent dans l'obscurité et émettent des ondulations dans l'espace appelées ondes gravitationnelles. Mais l'un des trois détecteurs qui ont repéré de telles ondes - Virgo, près de Pise, en Italie - a rencontré des problèmes techniques qui retarderont son redémarrage, 3 ans après la fermeture de toutes les installations pour maintenance et mises à niveau. Au cours des prochains mois, seuls les deux détecteurs du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), en Louisiane et dans l'État de Washington, prendront des données, ce qui rendra plus difficile la localisation des sources dans le ciel.

Selon Fiodor Sorrentino, physicien à l'Institut national italien de physique nucléaire (INFN) et coordinateur de la mise en service de Virgo, le problème ne semble pas provenir des mises à niveau, mais de pièces plus anciennes qui créent un bruit susceptible de noyer de nombreux signaux. "Mais on ne peut pas être sûr à 100%" avant d'ouvrir le détecteur, précise-t-il. Daniel Holz, astrophysicien à l'Université de Chicago, affirme que de tels hoquets sont normaux, bien que LIGO et Virgo les aient évités. "On nous doit ce genre de malchance parce que notre chance excessive a dû s'épuiser."

La chance a commencé en 2015, lorsque les détecteurs LIGO ont détecté pour la première fois les ondulations produites lorsque deux trous noirs massifs ont tourbillonné l'un dans l'autre et ont fusionné. Deux ans plus tard, LIGO et Virgo ont repéré une fusion à proximité de deux étoiles à neutrons, qui a déclenché une explosion appelée kilonova qui a également été vue par une myriade de télescopes. Jusqu'à présent, les trois détecteurs ont comptabilisé plus de 90 fusions de trous noirs et deux d'étoiles à neutrons.

Chaque détecteur est un énorme dispositif optique en forme de L appelé interféromètre. La lumière rebondit entre les miroirs lourds aux extrémités de chaque bras du L. Une partie de la lumière fuit à travers les miroirs au niveau du coude, et les deux faisceaux lumineux interfèrent, s'annulant ou se renforçant mutuellement, selon la longueur relative des bras. Une onde gravitationnelle qui passe étire généralement un bras plus que l'autre, ce qui provoque la sortie de la lumière de l'appareil en synchronisation avec l'onde.

Pour repérer le minuscule étirement, les bras doivent être longs. LIGO s'étend sur 4 kilomètres et Virgo sur 3 kilomètres. Les détecteurs doivent également étouffer d'autres vibrations pour stabiliser la longueur de chaque bras à 1 femtomètre, la largeur d'un proton. Ainsi, l'ensemble de la plate-forme réside dans une chambre à vide et un système de suspension élaboré prend en charge chaque miroir. Les problèmes de Virgo semblent avoir surgi dans la suspension et les rétroviseurs.

Chacun de ses miroirs de 40 kilogrammes est suspendu à une paire de fines fibres de verre. En novembre 2022, une fibre supportant un miroir s'est cassée. Bien que le miroir soit tombé sur une distance minimale, la secousse semble avoir desserré l'un des quatre aimants fixés au miroir et utilisé pour le stabiliser, dit Sorrentino. Les mouvements de l'aimant génèrent un peu de chaleur, littéralement des vibrations dans le verre. De plus, un miroir dans l'autre bras qui a subi une chute similaire en 2017 semble maintenant avoir une petite fissure interne qui se développe et génère de la chaleur. Le bruit limite la sensibilité de Virgo à environ la moitié de ce qu'elle était à la fin de la dernière course.

Les problèmes ne sont apparus que récemment, car certaines des mises à niveau ont pris plus de temps que prévu pour être mises en service, explique Gianluca Gemme, physicien à l'INFN et porte-parole de l'équipe Virgo de 850 membres. Plutôt que de redémarrer le détecteur, les chercheurs ouvriront sa chambre à vide pour retirer l'aimant lâche d'un miroir et remplacer l'autre miroir. Ce travail devrait être terminé d'ici juillet, dit Gemme. Accorder l'instrument prendrait quelques mois de plus. "Si tout se passe bien et qu'il n'y a pas de sources de bruit cachées supplémentaires, nous devrions pouvoir rejoindre [LIGO] à l'automne", déclare Gemme. Pourtant, Sorrentino met en garde: "Cette situation actuelle est un peu effrayante car vous ne savez jamais ce qui se passera lorsque vous mettrez la main sur vos [miroirs]."

Les deux détecteurs LIGO fonctionnent bien et devraient être prêts pour le redémarrage du 24 mai, déclare Patrick Brady, astrophysicien à l'Université du Wisconsin-Milwaukee et porte-parole de la collaboration LIGO. Mais la perte temporaire de la Vierge limitera la science qui peut être faite. Trois détecteurs peuvent localiser une source dans le ciel à quelques dizaines de degrés carrés près. Avec deux, la localisation est bien pire.

Virgo a prouvé la valeur d'une telle triangulation en août 2017 lorsqu'elle et les détecteurs LIGO ont repéré la première fusion d'étoiles à neutrons. Les coordonnées ont été rapidement envoyées aux astronomes, permettant aux antennes paraboliques, aux télescopes optiques, aux détecteurs de rayons gamma et à d'autres instruments de se concentrer sur l'explosion et de détecter les éléments lourds qu'elle a forgés, ce qui en fait littéralement une mine d'or cosmique.

Mais même avec juste LIGO, la course de 18 mois devrait produire beaucoup de science, dit Brady. Les détecteurs de LIGO sont déjà 30% plus sensibles qu'auparavant et devraient détecter une fusion de trous noirs une fois tous les 2 ou 3 jours, en captant environ 270 au total. Ce transport devrait déterminer la répartition des masses de trous noirs et peut révéler des fusions inhabituelles, comme entre des trous noirs tournant dans des directions différentes. Cette information pourrait aider à révéler comment se forment les paires de trous noirs, dit Brady. "L'excitation va venir plus que simplement augmenter le nombre, mais en obtenant ces événements exceptionnels."