Des scientifiques de l’Université de Californie à Riverside ont développé une nouvelle méthode pour aider les observatoires d’ondes gravitationnelles à voir plus loin dans l’univers en résolvant l’un de leurs plus grands défis : les minuscules distorsions thermiques dans les miroirs massifs au cœur des détecteurs.
La technique, décrite dans un article publié dans Classical and Quantum Gravity, utilise l’imagerie thermique pour révéler les distorsions microscopiques causées par de puissants lasers. En mesurant ces distorsions plus précisément, des observatoires comme l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) pourraient améliorer leur sensibilité et détecter des événements d’ondes gravitationnelles plus faibles et plus lointains.
« L’objectif de la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles est d’atteindre environ 10 fois la sensibilité des instruments actuels », a déclaré Jonathan Richardson, professeur associé de physique et astronomie à l’UC Riverside, qui a dirigé l’étude. « L’un des principaux obstacles pour y parvenir est de réduire le bruit quantique fondamental qui limite la précision des mesures. »
LIGO détecte les ondes gravitationnelles — des ondulations dans l’espace-temps créées par l’accélération d’objets massifs — en mesurant des changements de distance inférieurs à la largeur d’un proton. Pour effectuer ces mesures, des lasers circulent dans l’observatoire long de 4 kilomètres avec des puissances approchant un mégawatt.
Bien que les miroirs de LIGO soient parmi les composants optiques les plus purs jamais fabriqués, ils absorbent encore une infime fraction de cette lumière laser. La chaleur qui en résulte modifie la forme des miroirs de quelques nanomètres seulement, déformant légèrement le faisceau laser et réduisant la sensibilité du détecteur.
Les chercheurs savent déjà comment contrer ces distorsions en appliquant des motifs de chauffage soigneusement contrôlés aux miroirs. Le défi a été de déterminer exactement comment les miroirs sont déformés afin d’appliquer le motif de chauffage optimal.
La nouvelle méthode combine des images thermiques infrarouges de la surface du miroir avec des mesures de front d’onde existantes et des modèles informatiques du flux de chaleur pour reconstruire la distorsion optique des miroirs sur toute leur largeur.
« On peut considérer cela comme prendre une photo infrarouge d’un moteur de voiture », a expliqué Richardson. « Un ingénieur peut observer le motif de température à l’extérieur et déduire ce qui se passe à l’intérieur du moteur. Nous faisons la même chose avec les miroirs de LIGO. »
L’idée est née d’un résultat expérimental inattendu alors que le groupe de Richardson testait de nouvelles optiques adaptatives sur un miroir LIGO grandeur nature de 40 kilogrammes. L’expérience visait à remodeler précisément les surfaces des miroirs principaux de LIGO.
« Nous avons découvert que si vous connaissez la température de surface et disposez d’un bon modèle de la façon dont la chaleur circule à travers l’optique, vous pouvez reconstruire avec précision les distorsions optiques à l’intérieur », a déclaré Richardson. « Ce résultat surprenant nous a conduits à développer cette nouvelle technique de détection. »
Contrairement à de nombreuses améliorations de LIGO, l’approche repose sur des caméras d’imagerie thermique disponibles dans le commerce, montées à l’extérieur de l’interféromètre, plutôt que sur une instrumentation entièrement nouvelle.
« Cela nécessite seulement une caméra thermique qui répond déjà aux normes commerciales actuelles », a déclaré Richardson. « Cela ne nécessite aucun nouveau développement technologique, ce qui est presque inédit pour résoudre un problème d’instrumentation de LIGO. »
Les chercheurs estiment que la technique pourrait améliorer la sensibilité à la déformation, le plus petit changement fractionnaire de longueur qu’un instrument peut détecter, de la prochaine mise à niveau LIGO A+ de jusqu’à 31 %, permettant à l’observatoire de détecter les fusions d’étoiles à neutrons binaires environ 10 mégaparsecs (soit environ 33 millions d’années-lumière) plus loin en moyenne.
« Lorsque vous rendez le détecteur plus sensible, vous ne voyez pas seulement un peu plus loin — vous observez un volume beaucoup plus grand de l’univers », a déclaré Richardson. « Parce que le volume détectable évolue avec le cube de la distance, même une augmentation modeste de la sensibilité peut produire une augmentation bien plus importante du nombre d’événements d’ondes gravitationnelles que nous détectons. »
La technologie devrait également faire partie de la conception de base du Cosmic Explorer, le prochain observatoire d’ondes gravitationnelles américain proposé. Richardson est le responsable de la conception du système pour son système de détection et de contrôle des modes.
« LIGO servira de pionnier », a déclaré Richardson. « Nous développerons et validerons ces techniques lors des prochaines mises à niveau, puis nous utiliserons cette expérience pour permettre Cosmic Explorer. »
Selon Richardson, ces travaux comblent une lacune importante dans la technologie nécessaire aux futurs observatoires.
« Notre recherche fournit non seulement un moyen de corriger ces distorsions optiques, mais aussi un moyen pratique de mesurer exactement comment elles doivent être corrigées en premier lieu », a-t-il déclaré. « Cette capacité sera essentielle pour la prochaine génération d’observatoires d’ondes gravitationnelles et nous permettra de voir plus loin dans l’univers lointain que jamais auparavant. »
Les co-auteurs de l’article sont Liu Tao, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Richardson, et Pooyan Goodarzi, doctorant au Département de physique et d’astronomie de l’UCR.
Article : Error signals for overcoming the laser power limits of gravitational-wave detectors – Journal : Classical and Quantum Gravity – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : UC Riverside
