À partir de 2035, le télescope Einstein pourra étudier les ondes gravitationnelles avec une précision sans précédent. Pour le télescope, des chercheurs d’Iéna ont fabriqué pour la première fois des capteurs très sensibles entièrement en verre.
Les ondes gravitationnelles sont des distorsions de l’espace-temps provoquées par des événements astrophysiques extrêmes, tels que la collision de trous noirs. Ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière et transportent des informations précieuses sur ces événements à travers l’univers. À l’avenir, le télescope Einstein mesurera ces ondes avec une précision sans précédent, ce qui en fera un instrument de premier plan au niveau mondial pour la détection des ondes gravitationnelles.
Afin de minimiser l’impact du bruit sur les mesures, le télescope sera construit jusqu’à 300 mètres sous terre. Mais même là, des vibrations mécaniques subsistent, causées par exemple par des tremblements de terre lointains ou par le trafic routier en surface. Des capteurs de vibrations très sensibles mesureront ces vibrations résiduelles.
Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer d’optique appliquée et d’ingénierie de précision IOF à Iéna ont développé et construit ces capteurs de vibrations pour le télescope Einstein en collaboration avec l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle de Hanovre (Institut Albert Einstein AEI).
Un résonateur pour capteurs de vibrations entièrement fabriqué en verre de silice pour la première fois
« Un tel capteur de vibrations se compose de deux éléments essentiels : un résonateur mobile et un laser qui lit le mouvement du résonateur », indique le Dr Pascal Birckigt, responsable du sous-projet au Fraunhofer IOF à Iéna. Le résonateur a été construit à Iéna et le laser a été ajouté à Hanovre. « Le résonateur mécanique est la partie du capteur qui convertit les vibrations de l’environnement en un mouvement mesurable, semblable à celui d’un diapason. »
Les chercheurs du Fraunhofer IOF ont créé quelque chose d’inédit : un résonateur mécanique filigrane en verre de silice pur (>99,8 % SiO2). Il combine une basse fréquence naturelle de 15 Hertz avec un facteur de haute qualité (>100 000) et une taille compacte de seulement cinq centimètres de diamètre.
« À l’avenir, les capteurs de vibrations seront placés à proximité immédiate des miroirs d’environ 200 kilogrammes des détecteurs d’ondes gravitationnelles du télescope Einstein », poursuit M. Birckigt. Il y aura trois capteurs par miroir. « Grâce à nos résonateurs, la sensibilité des capteurs sera si élevée qu’ils pourront rendre les vagues de l’océan Atlantique, qui se trouve à 200 kilomètres de l’emplacement du télescope, clairement visibles sous forme de pics dans les spectres sismiques. »
Exigences complexes du capteur : le verre est la solution
Le fait que les résonateurs soient entièrement en verre s’explique par les exigences complexes du capteur : « L’espace disponible pour les capteurs du télescope Einstein est très restreint », explique M. Birckigt. « En même temps, les capteurs doivent être particulièrement puissants. Ce n’est qu’avec le verre comme matériau que les exigences de compacité et de faible fréquence naturelle ont pu être combinées avec une sensibilité élevée. La raison en est la présence de ressorts à lames à l’intérieur du résonateur. »
Les ressorts à lames constituent le cœur du résonateur. Ils permettent d’obtenir une fréquence naturelle basse, c’est-à-dire la fréquence à laquelle le système commence à réagir aux vibrations. Cela est nécessaire car le télescope Einstein veut mesurer des ondes de basse fréquence dans la gamme comprise entre 3 et 30 Hertz. « Il existe deux options techniques pour y parvenir », commente M. Birckigt. « Soit une grande masse d’essai est installée à l’intérieur du résonateur, qui réagit aux vibrations externes, soit de longues poutres de flexion élastiquement déformables, appelées ressorts à lames, sont fixées à la masse d’essai. »
Une masse d’essai importante n’est pas possible en raison de la compacité requise du capteur. La seule solution a donc été d’utiliser des ressorts à lames, que les chercheurs ont fabriqués en verre : « Le verre est un matériau qui se caractérise par sa très grande rigidité« , affirme M. Birckigt. « Il ne présente pratiquement aucune déformation plastique. Il est donc possible de fabriquer des ressorts à lames minces comme du papier« . Dans ce cas, la finesse du papier signifie qu’un seul ressort a une épaisseur de 0,1 millimètre, une longueur de sept centimètres et un poids de 34 milligrammes seulement. Au total, six de ces ressorts maintiennent la masse d’essai de trois grammes de manière stable et alignée à l’intérieur du résonateur.
Processus de collage spécial pour la fabrication du résonateur en verre
La production d’un résonateur aussi délicat et puissant est un processus complexe. Il comprend des travaux de fraisage et de polissage ainsi que des méthodes de traitement au laser. En outre, un procédé spécial de collage activé par plasma est utilisé pour créer une liaison au niveau atomique entre les surfaces en verre du résonateur. « Désormais, les deux parties individuelles forment une unité monolithique, c’est-à-dire permanente« , indique encore M. Birckigt, qui était spécifiquement responsable des processus de collage pour la production du composant en verre dans le cadre du projet. « Cela rend le résonateur extrêmement stable et précis« .
Les chercheurs du Fraunhofer IOF souhaitent continuer à développer cette méthode spéciale d’assemblage du verre sans couche intermédiaire supplémentaire à l’avenir. Leur objectif est de créer des structures tridimensionnelles encore plus complexes.
Potentiel d’application dans l’espace et la fabrication de semi-conducteurs
À l’avenir, les nouveaux résonateurs en verre pourront être utilisés partout où des systèmes doivent être surveillés à l’aide de plusieurs capteurs compacts d’accélération ou de position. Outre la recherche sur les ondes gravitationnelles, c’est le cas des satellites, par exemple pour déterminer leur orbite, mesurer la surface de la terre ou la navigation inertielle.
Les résonateurs peuvent également être utilisés pour améliorer la précision de mesure des interféromètres atomiques et dans les systèmes de lithographie EUV pour le traitement des semi-conducteurs.
Mise en service du télescope Einstein prévue à partir de 2035
Le télescope Einstein est en développement continu depuis 2008. Il s’agit d’un détecteur d’ondes gravitationnelles extrêmement sensible, qui en est à sa troisième génération et dont la sensibilité est jusqu’à 10 fois supérieure à celle des détecteurs actuels. Selon le calendrier actuel, la construction devrait commencer en 2028.
Le télescope devrait commencer ses observations en 2035. Selon la planification actuelle, les sites envisagés pour le télescope sont l’Eurorégion Meuse-Rhin dans le triangle frontalier de l’Allemagne, de la Belgique et des Pays-Bas, le site de Sos Enattos en Sardaigne et le site de Bautzen-Kamenz-Hoyerswerda en Lusace.
Les capteurs ont été développés par des chercheurs d’Iéna et de Hanovre dans le cadre du projet « Glass Technologies for the Einstein Telescope » (GT4ET).
Légende illustration : Des chercheurs d’Iéna ont fabriqué des résonateurs très sensibles entièrement en verre pour les capteurs de vibrations du télescope Einstein. © Fraunhofer IOF
