Une nouvelle technologie améliore la détection des ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles, ces infimes vibrations de l’espace-temps prédites par Einstein il y a plus d’un siècle, continuent de captiver les physiciens. Toutefois, détecter ces signaux faibles demeure un défi technologique colossal. Dans un article récemment publié dans Physical Review Letters , une équipe dirigée par Jonathan Richardson de l’Université de Californie, Riverside, propose une avancée majeure. Grâce à une nouvelle technologie optique, ils montrent comment il est possible d’étendre la portée des observatoires comme LIGO, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’astronomie des ondes gravitationnelles.

Depuis 2015, des observatoires comme LIGO ont ouvert une nouvelle fenêtre sur l’univers. Les projets d’amélioration des détecteurs LIGO de 4 kilomètres et la construction d’un observatoire de 40 kilomètres de nouvelle génération, Cosmic Explorer, visent à repousser l’horizon de détection des ondes gravitationnelles jusqu’aux temps les plus reculés de l’histoire de l’univers, avant la formation des premières étoiles. Toutefois, la réalisation de ces projets dépend de l’obtention de niveaux de puissance laser supérieurs à 1 mégawatt, ce qui dépasse de loin les capacités actuelles de LIGO.

L’article de recherche fait état d’une percée qui permettra aux détecteurs d’ondes gravitationnelles d’atteindre des puissances laser extrêmes. Il présente une nouvelle approche d’optique adaptative à faible bruit et à haute résolution qui peut corriger les distorsions limites des principaux miroirs de 40 kilogrammes de LIGO qui apparaissent avec l’augmentation de la puissance du laser en raison de l’échauffement.

M. Richardson, professeur adjoint de physique et d’astronomie, explique les conclusions de l’article dans les questions-réponses suivantes :

Que sont les ondes gravitationnelles ?

« Les ondes gravitationnelles constituent un nouveau moyen d’observer l’univers. Elles sont prédites par les équations de la relativité générale. Lorsque des objets massifs accélèrent ou entrent en collision dans l’univers, les distorsions du tissu de l’espace-temps se propagent comme des ondulations dans un étang à la vitesse de la lumière. Ces distorsions sont des ondes gravitationnelles et, comme les ondes électromagnétiques, elles transportent de l’énergie et de la quantité de mouvement. Nous disposons désormais de nombreuses informations sur les objets astrophysiques extrêmes, tels que les trous noirs, qui les créent et sur la physique de la nature sous-jacente de l’espace-temps que ces ondes traversent pour arriver jusqu’à nous.

Comment fonctionne LIGO ?

« LIGO est l’un des plus grands équipements scientifiques au monde. Il se compose de deux interféromètres laser de 4 kilomètres de long sur 4 kilomètres de large. L’un de ces interféromètres se trouve dans l’État de Washington, à l’intérieur des terres, tandis que l’autre se trouve à l’extérieur de Bâton Rouge, en Louisiane. Ces deux sites fonctionnent en tandem, écoutant passivement les distorsions de l’espace-temps qui pourraient se propager à travers la Terre sous la forme d’une onde gravitationnelle. »

« Jusqu’à présent, LIGO a observé environ 200 événements de collisions et de fusions d’objets compacts de masse stellaire. L’écrasante majorité d’entre eux sont des fusions de deux trous noirs, mais nous avons également observé des fusions d’étoiles à neutrons. J’espère que nous pourrons un jour détecter une source totalement inattendue et imprévisible. Si vous regardez l’histoire de l’astronomie, chaque fois que nous avons développé des télescopes électromagnétiques capables d’observer une longueur d’onde différente de celle jamais observée auparavant, nous voyons l’univers littéralement sous un nouvel angle et nous avons presque toujours découvert de nouveaux types d’objets visibles dans cette bande de longueur d’onde, mais pas dans d’autres. J’espère qu’il en sera de même pour les ondes gravitationnelles.« 

Parlez-nous de l’instrument que vous avez mis au point dans votre laboratoire et qui a des applications pour le LIGO.

« À l’UCR, je me concentre sur le développement de nouveaux types de technologies optiques adaptatives au laser afin de surmonter les limites physiques fondamentales qui limitent la sensibilité des détecteurs tels que le LIGO. La sensibilité de la majorité des fréquences des signaux d’ondes gravitationnelles que nous pouvons observer depuis le sol est presque toujours limitée par la mécanique quantique, par les propriétés quantiques de la lumière laser elle-même que nous utilisons dans l’interféromètre pour la faire rebondir sur les miroirs. L’instrument que nous avons mis au point dans mon laboratoire est conçu pour apporter des corrections optiques de précision directement aux miroirs principaux des interféromètres LIGO. Notre instrument est conçu pour se placer à quelques centimètres de la surface réfléchissante de ces miroirs et pour projeter un rayonnement infrarouge correctif à très faible bruit sur la surface avant du miroir. Il s’agit du premier prototype d’un type d’approche totalement nouveau qui fait appel à des principes optiques sans imagerie et qui n’a jamais été utilisé auparavant pour la détection des ondes gravitationnelles.« 

Qu’est-ce que Cosmic Explorer ?

« Cosmic Explorer est le concept américain d’observatoire d’ondes gravitationnelles de la prochaine génération, après LIGO. Il sera dix fois plus grand que LIGO, soit 40 bras interférométriques de 40 kilomètres de long. Ce sera le plus grand instrument scientifique jamais construit. À leur sensibilité nominale, ces détecteurs verront l’univers à une époque antérieure à celle où l’on pense que les premières étoiles se sont formées, c’est-à-dire lorsque l’univers avait environ 0,1 % de son âge actuel, qui est de 14 milliards d’années. Nous serons en mesure de voir un instantané de l’univers à un stade très précoce.« 

En bref, de quoi traite le document de recherche ?

« L’article démontre que les corrections optiques de haute précision sont essentielles pour élargir notre vision de l’univers en matière d’ondes gravitationnelles. Il expose les implications potentielles de l’impact que nous attendons de notre nouvelle technologie sur la prochaine génération de LIGO et sur les années suivantes. L’article montre surtout que ce type de technologie est nécessaire et adéquat pour permettre des niveaux de puissance de laser circulant dans les détecteurs LIGO beaucoup plus élevés que jamais auparavant. Nous pensons que cette technologie, et ses versions futures, permettront d’augmenter la puissance de l’interféromètre. »

Pourquoi est-il important de mener ces recherches ?

« Ces recherches promettent de répondre à certaines des questions les plus profondes de la physique et de la cosmologie, telles que la vitesse d’expansion de l’univers et la véritable nature des trous noirs. Il existe actuellement deux mesures contradictoires du taux d’expansion local de l’univers, que les ondes gravitationnelles peuvent potentiellement résoudre. Les ondes gravitationnelles fourniront également des mesures d’une très grande précision de la dynamique détaillée autour de l’horizon des trous noirs, ce qui nous permettra de tester directement la relativité générale classique et les théories alternatives.« 

Légende illustration : GEN AI

Article : « Expanding the Quantum-Limited Gravitational-Wave Detection Horizon » – DOI : 10.1103/PhysRevLett.134.051401

Source : UC, Riverside