En 2015, l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser, ou LIGO, a marqué l’histoire en réalisant la première détection directe d’ondes gravitationnelles, ou ondulations de l’espace-temps, produites par une paire de trous noirs en collision.
Depuis lors, le LIGO, financé par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, et son détecteur jumeau en Europe, Virgo, ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de dizaines de fusions entre des trous noirs ainsi que de collisions entre une classe apparentée de restes stellaires appelés étoiles à neutrons.
Le succès du LIGO
Le succès du LIGO réside dans sa capacité à mesurer l’étirement et la compression du tissu de l’espace-temps à des échelles 10 mille milliards de fois plus petites qu’un cheveu humain.
Aussi incompréhensiblement petites que soient ces mesures, la précision du LIGO a continué à être limitée par les lois de la physique quantique. À des échelles très petites, subatomiques, l’espace vide est rempli d’un faible crépitement de bruit quantique, qui interfère avec les mesures du LIGO et limite la sensibilité de l’observatoire.
La recherche actuelle
À présent, dans un article publié dans la revue Physical Review X («Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing»), les chercheurs du LIGO rapportent une avancée significative dans une technologie quantique appelée « squeezing » qui leur permet de contourner cette limite et de mesurer les ondulations de l’espace-temps sur toute la gamme de fréquences gravitationnelles détectées par le LIGO.
Cette nouvelle technologie de « squeezing dépendant de la fréquence« , en fonctionnement au LIGO depuis sa remise en service en mai de cette année, signifie que les détecteurs peuvent maintenant sonder un volume plus grand de l’univers et devraient détecter environ 60 % de fusions en plus qu’auparavant. Cela renforce considérablement la capacité du LIGO à étudier les événements exotiques qui secouent l’espace et le temps.
« Nous ne pouvons pas contrôler la nature, mais nous pouvons contrôler nos détecteurs« , indique Lisa Barsotti, chercheuse principale au MIT qui a supervisé le développement de la nouvelle technologie LIGO.
L’effort comprend maintenant des dizaines de scientifiques et d’ingénieurs basés au MIT, au Caltech et aux observatoires LIGO jumeaux de Hanford (Washington) et de Livingston (Louisiane).
L’observatoire partenaire de LIGO, Virgo, utilisera probablement aussi la technologie de compression en fonction de la fréquence dans le cadre de la campagne actuelle, qui se poursuivra jusqu’à la fin de l’année 2024 environ.
Les détecteurs d’ondes gravitationnelles de plus grande taille de la prochaine génération, tels que le futur Cosmic Explorer au sol, bénéficieront également des avantages de l’écrasement de la lumière.
Grâce à sa nouvelle cavité d’écrasement dépendant de la fréquence, LIGO peut désormais détecter encore plus de collisions de trous noirs et d’étoiles à neutrons.
Dhruva Ganapathy, étudiant diplômé au MIT et co-auteur de la nouvelle étude se dit particulièrement enthousiaste à l’idée de détecter davantage de collisions d’étoiles à neutrons : « Avec davantage de détections, nous pourrons observer les étoiles à neutrons se déchirer entre elles et en apprendre davantage sur ce qu’il y a à l’intérieur.
« Nous tirons enfin parti de notre univers gravitationnel« , ajoute Lisa Barsotti. « À l’avenir, nous pourrons encore améliorer notre sensibilité. J’aimerais voir jusqu’où nous pourrons la pousser« .
En synthèse
Le LIGO a réussi à surpasser la limite quantique, ce qui lui permet d’effectuer beaucoup plus d’astronomie. Les résultats ont également des implications pour les futures technologies quantiques telles que les ordinateurs quantiques et d’autres microélectroniques, ainsi que pour les expériences de physique fondamentale.
Les lois de la physique quantique dictent que les particules, y compris les photons, apparaîtront et disparaîtront aléatoirement dans l’espace vide, créant un bruit de fond quantique qui apporte un niveau d’incertitude aux mesures laser du LIGO.
Le «squeezing» quantique, qui a ses racines à la fin des années 1970, est une méthode pour réduire le bruit quantique ou, plus précisément, pour déplacer le bruit d’un endroit à un autre dans le but de réaliser des mesures plus précises. Grâce à sa nouvelle cavité de « squeezing » dépendante de la fréquence, le LIGO peut maintenant détecter encore plus de collisions de trous noirs et d’étoiles à neutrons.
Les résultats ont également des ramifications pour les futures technologies quantiques, comme les ordinateurs quantiques et autres microélectroniques, ainsi que pour les expériences de physique fondamentale. « Nous pouvons utiliser ce que nous avons appris de LIGO et l’appliquer à des problèmes qui nécessitent de mesurer des distances à l’échelle subatomique avec une précision incroyable« , explique Lee McCuller.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que le LIGO et pourquoi est-il important ?
Le LIGO (Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser) est un observatoire qui a réalisé la première détection directe d’ondes gravitationnelles en 2015. Ces ondes sont des ondulations de l’espace-temps produites par des événements cosmiques violents, comme la collision de trous noirs. Le LIGO est important car il nous permet d’étudier ces événements et d’approfondir notre compréhension de l’univers.
2. Qu’est-ce que le bruit quantique et comment affecte-t-il le LIGO ?
Le bruit quantique est un phénomène qui se produit à des échelles très petites, subatomiques. Dans l’espace vide, il y a un faible crépitement de bruit quantique qui interfère avec les mesures du LIGO et limite sa sensibilité. C’est comme un fond sonore qui rend plus difficile la détection des ondes gravitationnelles.
3. Qu’est-ce que le « squeezing » quantique et comment aide-t-il le LIGO ?
Le «squeezing» quantique est une technologie qui permet de réduire le bruit quantique. Plus précisément, il déplace le bruit d’un endroit à un autre, ce qui permet de réaliser des mesures plus précises. Grâce à cette technologie, le LIGO peut maintenant détecter des ondulations de l’espace-temps sur toute la gamme de fréquences gravitationnelles qu’il peut détecter.
4. Qu’est-ce que le « squeezing » dépendant de la fréquence ?
Le «squeezing» dépendant de la fréquence est une avancée de la technologie de « squeezing » qui permet au LIGO de sonder un volume plus grand de l’univers. Cela signifie que les détecteurs peuvent maintenant détecter environ 60 % de fusions en plus qu’auparavant, ce qui renforce considérablement la capacité du LIGO à étudier les événements exotiques qui secouent l’espace et le temps.
5. Quelles sont les implications futures de ces découvertes ?
Les résultats ont des implications pour les futures technologies quantiques telles que les ordinateurs quantiques et d’autres microélectroniques, ainsi que pour les expériences de physique fondamentale. De plus, avec sa nouvelle cavité de «squeezing» dépendante de la fréquence, le LIGO peut maintenant détecter encore plus de collisions de trous noirs et d’étoiles à neutrons.
Physical Review X (« Broadband quantum enhancement of the LIGO detectors with frequency-dependent squeezing »)
Légende illustration principale : Cette photo de la source de lumière comprimée a été prise depuis l’un des hublots de la chambre, à un moment où l’appareil était opérationnel et alimenté en lumière verte. Credit: Georgia Mansell/LIGO Hanford Observatory
Article adapté du contenu de l’auteur : Whitney Clavin, Caltech
