Le détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO est de retour en ligne après 3 ans de mises à jour

Professeur de physique, Penn State

Chad Hanna reçoit des fonds de la National Science Foundation et de la NASA.

Penn State fournit un financement en tant que partenaire fondateur de The Conversation US.

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Après une interruption de trois ans, des scientifiques américains viennent d'allumer des détecteurs capables de mesurer les ondes gravitationnelles - de minuscules ondulations dans l'espace lui-même qui voyagent à travers l'univers.

Contrairement aux ondes lumineuses, les ondes gravitationnelles ne sont presque pas gênées par les galaxies, les étoiles, le gaz et la poussière qui remplissent l'univers. Cela signifie qu'en mesurant les ondes gravitationnelles, les astrophysiciens comme moi peuvent pénétrer directement au cœur de certains de ces phénomènes les plus spectaculaires de l'univers.

Depuis 2020, l'Observatoire d'ondes gravitationnelles interférométriques laser - communément appelé LIGO - est en sommeil pendant qu'il a subi des améliorations passionnantes. Ces améliorations augmenteront considérablement la sensibilité de LIGO et devraient permettre à l'installation d'observer des objets plus éloignés qui produisent de plus petites ondulations dans l'espace-temps.

En détectant plus d'événements qui créent des ondes gravitationnelles, les astronomes auront plus d'occasions d'observer également la lumière produite par ces mêmes événements. Voir un événement à travers plusieurs canaux d'information, une approche appelée astronomie multi-messagers, offre aux astronomes des opportunités rares et convoitées d'apprendre la physique bien au-delà du domaine des tests en laboratoire.

Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, la masse et l'énergie déforment la forme de l'espace et du temps. La courbure de l'espace-temps détermine la façon dont les objets se déplacent les uns par rapport aux autres - ce que les gens ressentent comme étant la gravité.

Les ondes gravitationnelles sont créées lorsque des objets massifs comme des trous noirs ou des étoiles à neutrons fusionnent les uns avec les autres, produisant des changements soudains et importants dans l'espace. Le processus de déformation et de flexion de l'espace envoie des ondulations à travers l'univers comme une vague à travers un étang immobile. Ces ondes se déplacent dans toutes les directions à partir d'une perturbation, déformant minutieusement l'espace et modifiant très légèrement la distance entre les objets sur leur chemin.

Même si les événements astronomiques qui produisent des ondes gravitationnelles impliquent certains des objets les plus massifs de l'univers, l'étirement et la contraction de l'espace sont infiniment petits. Une forte onde gravitationnelle traversant la Voie lactée ne peut modifier le diamètre de la galaxie entière que de trois pieds (un mètre).

Bien qu'Einstein l'ait prédit pour la première fois en 1916, les scientifiques de cette époque avaient peu d'espoir de mesurer les minuscules changements de distance postulés par la théorie des ondes gravitationnelles.

Vers l'an 2000, des scientifiques de Caltech, du Massachusetts Institute of Technology et d'autres universités du monde entier ont terminé la construction de ce qui est essentiellement la règle la plus précise jamais construite : l'observatoire LIGO.

LIGO est composé de deux observatoires distincts, l'un situé à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, Louisiane. Chaque observatoire a la forme d'un L géant avec deux bras de 2,5 milles de long (quatre kilomètres de long) s'étendant du centre de l'installation à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.

Pour mesurer les ondes gravitationnelles, les chercheurs font briller un laser du centre de l'installation à la base du L. Là, le laser est divisé de sorte qu'un faisceau se déplace le long de chaque bras, se reflète sur un miroir et revient à la base. Si une onde gravitationnelle traverse les bras pendant que le laser brille, les deux faisceaux reviendront au centre à des moments très légèrement différents. En mesurant cette différence, les physiciens peuvent discerner qu'une onde gravitationnelle a traversé l'installation.

LIGO a commencé à fonctionner au début des années 2000, mais il n'était pas assez sensible pour détecter les ondes gravitationnelles. Ainsi, en 2010, l'équipe LIGO a temporairement fermé l'installation pour effectuer des mises à niveau afin d'augmenter la sensibilité. La version améliorée de LIGO a commencé à collecter des données en 2015 et a détecté presque immédiatement les ondes gravitationnelles produites par la fusion de deux trous noirs.

Depuis 2015, LIGO a effectué trois passages d'observation. Le premier, le run O1, a duré environ quatre mois ; le second, O2, environ neuf mois ; et le troisième, O3, a fonctionné pendant 11 mois avant que la pandémie de COVID-19 n'oblige les installations à fermer. À partir de la course O2, LIGO a observé conjointement avec un observatoire italien appelé Virgo.

Entre chaque passage, les scientifiques ont amélioré les composants physiques des détecteurs et les méthodes d'analyse des données. À la fin de l'exécution O3 en mars 2020, les chercheurs de la collaboration LIGO et Virgo avaient détecté environ 90 ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Les observatoires n'ont pas encore atteint leur sensibilité de conception maximale. Ainsi, en 2020, les deux observatoires ont de nouveau fermé pour des mises à niveau.

Les scientifiques ont travaillé sur de nombreuses améliorations technologiques.

Une mise à niveau particulièrement prometteuse consistait à ajouter une cavité optique de 1 000 pieds (300 mètres) pour améliorer une technique appelée compression. La compression permet aux scientifiques de réduire le bruit du détecteur en utilisant les propriétés quantiques de la lumière. Avec cette mise à niveau, l'équipe LIGO devrait être en mesure de détecter des ondes gravitationnelles beaucoup plus faibles qu'auparavant.

Mes coéquipiers et moi sommes des scientifiques des données dans la collaboration LIGO, et nous avons travaillé sur un certain nombre de mises à niveau différentes du logiciel utilisé pour traiter les données LIGO et les algorithmes qui reconnaissent les signes d'ondes gravitationnelles dans ces données. Ces algorithmes fonctionnent en recherchant des modèles qui correspondent aux modèles théoriques de millions d'événements possibles de fusion de trous noirs et d'étoiles à neutrons. L'algorithme amélioré devrait être capable de détecter plus facilement les faibles signes d'ondes gravitationnelles à partir du bruit de fond dans les données que les versions précédentes des algorithmes.

Début mai 2023, LIGO a lancé un court test - appelé cycle d'ingénierie - pour s'assurer que tout fonctionnait. Le 18 mai, LIGO a détecté des ondes gravitationnelles probablement produites par une étoile à neutrons fusionnant dans un trou noir.

La campagne d'observation 04 de 20 mois de LIGO commencera officiellement le 24 mai, et sera ensuite rejointe par Virgo et un nouvel observatoire japonais - le détecteur d'ondes gravitationnelles Kamioka, ou KAGRA.

Bien que cette course ait de nombreux objectifs scientifiques, un accent particulier est mis sur la détection et la localisation des ondes gravitationnelles en temps réel. Si l'équipe peut identifier un événement d'onde gravitationnelle, déterminer d'où proviennent les ondes et alerter rapidement les autres astronomes de ces découvertes, cela permettrait aux astronomes de pointer d'autres télescopes qui collectent la lumière visible, les ondes radio ou d'autres types de données à la source de l'onde gravitationnelle. Collecter plusieurs canaux d'informations sur un seul événement - l'astrophysique multi-messagers - revient à ajouter de la couleur et du son à un film muet en noir et blanc et peut fournir une compréhension beaucoup plus approfondie des phénomènes astrophysiques.

À ce jour, les astronomes n'ont observé qu'un seul événement dans les ondes gravitationnelles et la lumière visible : la fusion de deux étoiles à neutrons observée en 2017. Mais à partir de cet événement unique, les physiciens ont pu étudier l'expansion de l'univers et confirmer l'origine de certaines d'entre elles. les événements les plus énergétiques de l'univers connus sous le nom de sursauts gamma.

Avec la course O4, les astronomes auront accès aux observatoires d'ondes gravitationnelles les plus sensibles de l'histoire et, espérons-le, collecteront plus de données que jamais auparavant. Mes collègues et moi espérons que les mois à venir déboucheront sur une - ou peut-être plusieurs - observations multi-messagers qui repousseront les limites de l'astrophysique moderne.