Gravitationnel

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LIGO peut détecter les ondes gravitationnelles générées lorsque deux trous noirs entrent en collision. Crédit : Le projet SXS

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Après une interruption de trois ans rendue plus longue par les troubles pandémiques, la recherche d'ondes gravitationnelles - des ondulations dans l'espace-temps qui sont les caractéristiques de la collision de trous noirs et d'autres cataclysmes cosmiques - a repris.

L'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO), qui possède deux détecteurs massifs à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane, redémarre maintenant avec une sensibilité améliorée après une mise à niveau de plusieurs millions de dollars. Les améliorations devraient permettre à l'installation de capter les signaux des trous noirs en collision tous les deux à trois jours, contre environ une fois par semaine lors de sa précédente exploitation en 2019-2020.

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Le détecteur Virgo près de Pise, en Italie, qui a fait l'objet de sa propre mise à niveau de 8,4 millions d'euros (9 millions de dollars américains), devait y participer, mais des problèmes techniques obligent son équipe à prolonger son arrêt et à effectuer une maintenance supplémentaire. "Nous espérons pouvoir redémarrer d'ici la fin de l'été ou le début de l'automne", a déclaré le porte-parole de Virgo, Gianluca Gemme, physicien à l'Institut national italien de physique nucléaire de Gênes.

KAGRA, un détecteur d'ondes gravitationnelles situé sous le mont Ikenoyama, au Japon, redémarre également le 24 mai. Sa technologie, bien que plus avancée - elle a été inaugurée en 2020 - est en cours d'affinement, et sa sensibilité est toujours inférieure à celle de LIGO en 2015. Le chercheur principal Takaaki Kajita, physicien lauréat du prix Nobel à l'Université de Tokyo, affirme que KAGRA rejoindra le fonctionnement de LIGO pendant un mois, puis s'arrêtera à nouveau pour une autre période de mise en service. À ce stade, l'équipe refroidira les quatre miroirs principaux de l'interféromètre à 20 kelvins, explique Kajita, une caractéristique qui distingue KAGRA des autres détecteurs qui serviront de modèle pour les observatoires de nouvelle génération.

Les ondes gravitationnelles sont produites par de grandes masses en accélération, et les ondes étirent et compriment cycliquement le tissu de l'espace au fur et à mesure qu'elles se déplacent. Depuis la première détection historique de LIGO en 2015, la plupart des quelque 90 événements d'ondes gravitationnelles enregistrés jusqu'à présent proviennent du mouvement en spirale de paires de trous noirs en train de fusionner en un seul ; une poignée a été produite de manière similaire par la fusion de deux étoiles à neutrons ou d'une étoile à neutrons et d'un trou noir.

LIGO, Virgo et KAGRA sont tous basés sur le même concept d'interféromètre, qui consiste à diviser un faisceau laser en deux et à faire rebondir les faisceaux résultants entre deux miroirs à chaque extrémité d'un long tuyau à vide. (À LIGO, les deux "bras" de l'interféromètre mesurent chacun 4 kilomètres ; à Virgo et KAGRA, ils mesurent 3 km.) Les deux faisceaux reviennent ensuite et se chevauchent au niveau d'un capteur au milieu. En l'absence de toute perturbation de l'espace-temps, les oscillations des faisceaux s'annulent. Mais le passage des ondes gravitationnelles fait que les bras changent de longueur l'un par rapport à l'autre, de sorte que les ondes ne se chevauchent pas parfaitement, et le capteur détecte un signal.

Le détecteur LIGO de Livingston, en Louisiane, fait partie d'une paire basée aux États-Unis.Crédit : Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab

Les événements typiques d'ondes gravitationnelles ne modifient la longueur des bras que d'une fraction de la largeur d'un proton. La détection de changements aussi infimes nécessite une isolation minutieuse du bruit provenant de l'environnement et des lasers eux-mêmes.

Dans les mises à niveau effectuées avant la course 2019-2020, LIGO et Virgo ont abordé une partie de ce bruit avec une technique appelée compression de la lumière. Cette approche traite du bruit inhérent causé par le fait que la lumière est constituée de particules individuelles : lorsque les faisceaux arrivent au capteur, chaque photon individuel peut arriver un peu trop tôt ou trop tard, ce qui signifie que les ondes laser ne se chevauchent pas et ne s'annulent pas. parfaitement même en l'absence d'ondes gravitationnelles.

"C'est comme laisser tomber un seau de BB [granules de plomb] : ça va faire un sifflement fort, mais ils frappent tous au hasard", a expliqué le physicien Lee McCuller en montrant un prototype des interféromètres LIGO au Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Cambridge. La compression de la lumière injecte un faisceau laser auxiliaire dans l'interféromètre qui réduit cet effet. "Ses photons arrivent plus régulièrement, avec moins de bruit", a déclaré McCuller, qui travaille maintenant au California Institute of Technology de Pasadena.

La mise en œuvre de la compression de la lumière a aidé LIGO et Virgo à améliorer la sensibilité des détecteurs aux ondes gravitationnelles à haute fréquence.

Mais à cause des règles bizarres de la mécanique quantique, la réduction de l'incertitude sur le temps d'arrivée des photons augmente les fluctuations aléatoires de l'intensité des ondes laser. Cela amène les lasers à pousser sur les miroirs de l'interféromètre et à les rendre instables, ajoutant un type de bruit différent et réduisant potentiellement leur sensibilité aux ondes gravitationnelles à basse fréquence. Il s'agit d'une "belle manifestation de la nature", déclare l'expérimentateur du MIT Nergis Mavalvala, qui a aidé à diriger le développement de la technologie de compression. "On ne peut pas faire une mesure infiniment précise : il faut payer le prix ailleurs", dit-elle.

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Pour faire face à ce problème, un changement important dans les mises à niveau les plus récentes de LIGO et de Virgo a été de construire des tuyaux à vide supplémentaires de 300 mètres de long avec des miroirs aux extrémités, pour stocker le faisceau de « compression » auxiliaire pendant 2,5 millisecondes avant l'injecter dans l'interféromètre. Le rôle de ces tubes est de décaler les ondes du laser auxiliaire de quantités distinctes selon leurs longueurs d'onde. Cela signifie que la compression sera sélective : elle diminuera le bruit à haute fréquence tout en réduisant également la gigue du miroir aux basses fréquences.

La physicienne du MIT, Victoria Xu, faisait partie de l'équipe qui a mis au point le nouveau système de pressage au laboratoire LIGO de Hanford, et elle se souvient de l'agréable surprise lors de sa première mise en service en novembre dernier. "Les choses ont fonctionné presque exactement comme on pouvait s'y attendre", dit-elle.

Grâce à la sensibilité améliorée des détecteurs, les chercheurs pourront extraire des informations plus détaillées sur les objets en spirale qui produisent des ondes gravitationnelles, y compris la façon dont chacun tourne autour de son axe et comment ils tournent les uns autour des autres. Cela signifie soumettre la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein - qui prédit l'existence à la fois des trous noirs et des ondes gravitationnelles - à des tests plus stricts que jamais. Le grand nombre d'observations améliorera la vue d'ensemble de la manière et de la fréquence à laquelle les trous noirs se forment à partir d'étoiles massives qui s'effondrent sur elles-mêmes.

Les astrophysiciens prévoient également que les ondes gravitationnelles révéleront des types de signaux distincts en plus de ceux des fusions de trous noirs. L'un des principaux espoirs est de capter le signal gravitationnel d'une étoile qui s'effondre avant qu'elle ne se manifeste par une explosion de supernova - un exploit qui ne sera possible que si l'effondrement se produit quelque part dans la Galaxie. Une autre ambition est de détecter les ondes gravitationnelles continues produites par la rugosité de la surface d'un pulsar, une étoile à neutrons en rotation qui émet des impulsions de rayonnement.

La famille des interféromètres devrait s'étoffer d'ici la fin de la décennie. Le gouvernement indien a annoncé qu'il financerait LIGO-India, une réplique des observatoires américains qui sera construite en partie avec les composants de rechange de LIGO.

Nature618, 13-14 (2023)

doi : https://doi.org/10.1038/d41586-023-01732-4

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