LIGO : Détection des ondes gravitationnelles grâce à l'optique de précision

Voir la gravité : comment LIGO détecte les ondes gravitationnelles

L'histoire de l'astronomie est liée aux progrès des télescopes, qui nous ont progressivement révélé une part plus importante de l'Univers. Elle a commencé avec le télescope primitif de Galilée et d'autres pionniers, et se poursuit aujourd'hui.

Nous avons couvert plusieurs de ces nouveaux mégaprojets de télescopes, par exemple :

• DKIST, le télescope solaire le plus puissant du monde.
• Le télescope spatial James Webb, situé à des millions de kilomètres de la Terre.
• L'observatoire Vera C. Rubin, un télescope d'observation observant l'ensemble du ciel en une seule fois.
• SKAO (Observatoire du réseau de kilomètres carrés), étudiant le ciel dans le spectre des ondes radio.
• DUNE (Expérience sur les neutrinos souterrains profonds), détectant des neutrinos insaisissables.

Un nouveau type d’astronomie émerge, qui étudie l’univers d’une manière entièrement nouvelle : au lieu de mesurer la lumière et la longueur d’onde des ondes électromagnétiques, elle mesure les ondes gravitationnelles.

Théoriques jusqu'à récemment, les ondes gravitationnelles sont aujourd'hui un phénomène avéré. Un projet cherche à les mesurer : Interféromètre laser Observatoire des ondes gravitationnelles (LIGO).

Mesurer la gravité avec l'astronomie des ondes gravitationnelles

On a longtemps cru que la gravité n’était « qu’une » des forces fondamentales de l’Univers, comme l’électromagnétisme ou la force qui anime les forces nucléaires au niveau atomique.

Mais au tournant du 20^th Au cours du siècle dernier, la théorie de la relativité d'Einstein décrivait la gravité comme la courbure de l'espace-temps.

Sa théorie a non seulement décrit correctement le fonctionnement de la gravité pour de très grands objets comme les étoiles, mais a également prédit de nombreux phénomènes spatiaux qui n'avaient pas encore été découverts à l'époque, comme les étoiles à neutrons et les trous noirs.

Une autre prédiction concernait les ondes gravitationnelles, qui provoqueraient un étirement et une compression de l’espace comme des ondulations se propageant à la surface d’un lac.

Contrairement à une onde lumineuse classique ou même à une onde océanique, une onde gravitationnelle n'est pas transportée par des particules. Elle se produit lorsque la structure même de l'espace-temps ondule ou vibre. 

Un événement serait probablement suffisamment massif pour générer des ondes gravitationnelles suffisamment fortes pour être mesurées, comme par exemple la collision de deux trous noirs l’un contre l’autre.

Cependant, quelle que soit la puissance d’un tel phénomène en termes absolus, la distance considérable entre la Terre et sa source, ainsi que la difficulté de mesurer l’espace-temps lui-même, signifient qu’un instrument ultra-sensible doit être conçu pour détecter ces événements.

Au moment où les ondes gravitationnelles atteignent la Terre, à des millions ou des milliards d’années-lumière, elles sont des milliers de milliards de fois plus petit.

C’est pourquoi un instrument aussi impressionnant que LIGO serait conceptualisé.

Pour les ondes gravitationnelles de la première détection de LIGO, la quantité d'oscillations de l'espace-temps qu'elles ont générées était 10,000 XNUMX fois supérieure plus petit que le noyau d'un atome!

Comment les interféromètres détectent les ondes gravitationnelles

La première preuve indirecte de l'existence des ondes gravitationnelles a été obtenue grâce à l'étude de l'orbite d'un pulsar binaire. La perte d'énergie due à la désintégration orbitale correspondait à l'énergie prédite qui serait perdue lors de la génération d'ondes gravitationnelles. ce qui a valu aux scientifiques responsables de cette découverte le prix Nobel de physique 1993.

Source: Prix ​​Nobel

La mesure directe nécessitait un autre type de preuve : l'utilisation d'un interféromètre. Le principe de base d'un interféromètre est d'exploiter l'interaction entre des faisceaux lumineux. Si deux ondes lumineuses ont la même longueur d'onde, elles se chevauchent et créent un motif de points sombres et lumineux.

Mais si quelque chose modifie ces longueurs d’onde, la perturbation peut être mesurée.

Comme l'expansion et la contraction de l'espace-temps dues aux ondes gravitationnelles dilatent et contractent également l'un des bras de l'interféromètre plus que l'autre, cela crée un effet détectable et mesurable des ondes gravitationnelles.

LIGO – Une réalisation récompensée par le prix Nobel

Dans sa forme la plus simple, LIGO est constitué de deux longs bras, chacun mesurant 2 km (4 miles), par lesquels la lumière est envoyée. L'échelle du bras permet de détecter les variations les plus infimes : plus les bras sont longs, plus les mesures qu'il peut effectuer sont petites.

Un faisceau laser est envoyé le long d'un bras de l'interféromètre, qui est divisé en deux. Les deux faisceaux sont ensuite réfléchis après avoir heurté un miroir.

Normalement, chaque faisceau laser devrait s’annuler.

Mais si un bras est contracté ou étendu plus que l’autre par une onde gravitationnelle, l’interférence entre les faisceaux laser s’arrête et un signal lumineux est détecté.

Source: Prix ​​Nobel

En 2015, l'observatoire d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser de la National Science Foundation (NSF LIGO) des États-Unis a confirmé la détection des ondes créées par la collision de trous noirs à 1.3 milliard d'années-lumière de la Terre.

Ce travail révolutionnaire a valu les physiciens Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne, lauréats du prix Nobel de physique 2017.

Bâtiment LIGO

En principe, LIGO est un concept relativement simple, facile à comprendre dès que l'on a réussi à comprendre le concept des ondes gravitationnelles et avec un minimum de compréhension de la lumière et des lasers.

Construire un système suffisamment précis pour pouvoir détecter une variation de longueur de 1/10,000 XNUMX^th d'un atome est une autre histoire.

Deux installations similaires ont été construites, l'une dans le nord-ouest des États-Unis et l'autre en Louisiane, séparées d'environ 3,000 1860 km (XNUMX XNUMX miles).

Source: Prix ​​Nobel

La double installation sert de confirmation, car leur grande distance signifie qu'une onde gravitationnelle aura un « décalage » de sept secondes entre les deux, tout en générant le même signal.

Ainsi, même si une seule détection peut toujours être considérée comme une erreur possible ou une perturbation locale, il est presque impossible que la même chose se produise des deux côtés des États-Unis exactement à l’intervalle de temps prévu.

Ces doubles installations offrent également un avantage précieux : la possibilité de trianguler le signal. Cela nous permet de délimiter la région du ciel d'où pourrait provenir le signal, région qui sera ensuite identifiée par les astronomes « classiques » qui trouveront l'objet stellaire potentiellement responsable.

La quête de LIGO pour une précision de mesure sans précédent

Le premier obstacle technique réside dans la nécessité de maintenir la longueur d'onde et l'intensité de la lumière laser aussi stables que possible. Sans cela, des fluctuations aléatoires pourraient être interprétées à tort comme le signal d'une onde gravitationnelle.

Le faisceau doit ensuite atteindre précisément les miroirs suspendus, lesquels ne doivent en aucun cas bouger.

Ils ne doivent pratiquement pas trembler, même lorsque des feuilles tombent des arbres voisins, qu'un enfant court ou qu'un camion passe au loin. Parallèlement, ces miroirs suspendus doivent pouvoir osciller librement sous l'effet des ondes gravitationnelles.

Les variations infimes non dues à la gravité doivent également être compensées, par exemple :

• Le mouvement thermique des atomes à la surface des miroirs
• Effets quantiques dans le laser.
• Secousses sismiques.
• Toute impureté de l’air interférerait, nécessitant que l’expérience entière soit menée dans des tubes à vide massifs.

En théorie, des bras de plus de 4 km fourniraient des mesures encore plus précises, mais en pratique, il existe une limite à la taille à laquelle un interféromètre peut être construit.

Il est donc rapidement apparu qu’outre les travaux préliminaires, ce projet nécessitait un budget et une expertise technique bien plus importants que ce qu’une petite équipe de recherche pouvait fournir.

Ainsi, en 1994, le scientifique Barry Barish de CalTech a transformé le petit groupe de recherche d’environ 40 personnes en une collaboration internationale à grande échelle avec plus d’un millier de participants, avec un financement initial de 395 millions de dollars.

Il faudrait 200 millions de dollars au total pour réaliser la percée de 2015, lorsque LIGO a reçu des lasers 10 fois plus puissants, des miroirs pesant 40 kilos, un filtrage du bruit très avancé et l'un des plus grands systèmes de vide au monde.

Stabilisation sismique

Comme la Terre n’est jamais parfaitement stable, les miroirs de LIGO ne le sont pas non plus sans stabilisateurs sismiques.

Un premier système de réduction passive des vibrations a été installé sur les miroirs : un système de pendule complexe absorbant les vibrations et les empêchant d'être transmises à la pièce suivante.

Combinée, cette structure est si efficace pour réduire les vibrations que celles présentes au sommet de la suspension sont rendues 100 millions de fois plus petites au moment où elles atteignent la masse d'essai elle-même.

Source: LIGO

Mais cela n'a pas suffi, et un système de stabilisation active a été ajouté. Des sismomètres installés autour de chaque observatoire détectent divers mouvements du sol, puis transmettent ces signaux à un ordinateur qui les combine et détermine les contre-mouvements.

Source: LIGO

L'absence de vibrations était un critère essentiel lors du choix du site de construction des interféromètres. Non seulement ils nécessitaient un espace libre important, mais aussi l'absence d'activité humaine générant de fortes vibrations, équivalentes à la pollution lumineuse pour la détection des ondes gravitationnelles.

Optiques

Pesant 40 kg chacune et suspendues au pied des suspensions, les optiques de LIGO sont constituées de matériaux ultra-purs déposés en couches nanométriques. Elles sont recouvertes de matériaux réfléchissant la quasi-totalité des photons qui les frappent, sauf un sur 5 millions !

Lasers

Le cœur de l'expérience, les lasers, doivent avoir une longueur d'onde très stable pour maintenir le motif d'interférence cohérent et ne le voir perturbé que par les ondes gravitationnelles.

Les lasers commerciaux n'auraient pas été aussi précis. Le laser de LIGO a donc été spécialement conçu pour être l'un des lasers les plus stables et les plus précis jamais inventés.

Vide

Pour réduire toute interférence de l’air ou des particules flottantes, les tests sont effectués dans des conditions de vide ultra-élevé.

Cela élimine également le risque d'accumulation de poussière sur les miroirs, qui serait incinérée par le laser et détruirait les miroirs de 2 millions de dollars.

La pression atmosphérique à l'intérieur des bras de LIGO est un billionième celui du niveau de la mer, ce qui signifie qu'il n'y a qu'environ 10 millions de molécules par centimètre cube.

Réalisations de LIGO

Après la découverte initiale de trous noirs en collision en 2015, l'observatoire a mesuré de nombreux autres événements de haute énergie dans l'Univers :

• Une autre fusion de trous noirs en 2016, chacun d'environ 30 masses solaires, était située à 1.3 milliard d'années-lumière, soit près de 1/10^thde la distance de l'ensemble de l'univers observable.
• Une troisième puis une quatrième fusion de trous noirs en 2017.

Par la suite, LIGO a été fermé pour améliorations jusqu'en 2019, avant d'être interrompu par la pandémie. Les scientifiques ont profité de cette occasion pour entreprendre de nouvelles améliorations et ajouter au réseau VIRGO, l'installation sœur européenne située près de Pise, en Italie.

L'avenir de LIGO

Les améliorations précédentes ont permis à LIGO de réaliser pas moins de 79 détections d’ondes gravitationnelles au cours des dernières années, créant ainsi un vaste catalogue d’événements impliquant des étoiles à neutrons et des trous noirs que d’autres astronomes peuvent identifier avec précision et mieux comprendre.

Une future mise à niveau importante sera le remplacement du rétroviseur actuel de 40 100 kg par des rétroviseurs de XNUMX kg, ainsi que des systèmes de suspension beaucoup plus grands.

Cette sensibilité supplémentaire devrait aider à trouver davantage d’informations sur la gravité dans l’Univers.

Un autre domaine de recherche est celui des « ondes gravitationnelles en sursaut ». Ces ondes de courte durée, provenant de sources inconnues ou imprévues, sont théoriques et difficiles à détecter. Les analystes qui utilisent LIGO doivent donc faire preuve d'ouverture d'esprit quant à la validité ou non d'un signal.

Nous pourrions également détecter des ondes gravitationnelles provenant de systèmes dont nous ignorions l'existence. Pour rechercher ce type d'ondes gravitationnelles, nous ne pouvons pas supposer qu'elles auront des propriétés bien définies, comme celles que les scientifiques du LIGO ont précédemment modélisées.

Cela signifie que nous ne pouvons pas limiter nos analyses à la recherche des seules signatures des ondes gravitationnelles que les scientifiques ont prédites.

Autres détecteurs d'ondes gravitationnelles

La prochaine génération d’interféromètres est également en discussion, notamment  Explorateur cosmique, un interféromètre avec 40 km de long armes, ou les Télescope Einstein, un détecteur triangulaire avec des bras de 10 km de long enfouis profondément sous terre.

Un autre projet qui pourrait voir le jour dans le futur est un énorme détecteur d’ondes gravitationnelles basé dans l’espace : LISAAntenne spatiale interférométrique laser. Elle est déjà en cours de conception et de test par un projet mené par l'Agence spatiale européenne, qui exploitera trois engins spatiaux en formation triangulaire, la distance entre chaque satellite étant de 2.5 millions de kilomètres.

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Conclusion

LIGO est un projet très impressionnant, car il est passé d’une expérience inédite à une validation immédiate de l’existence des ondes gravitationnelles.

Un projet comme LIGO peut à première vue paraître purement académique. C'est rarement le cas, même si les applications directes peuvent paraître difficiles à imaginer au premier abord.

Par exemple, la théorie de la relativité d’Einstein est aujourd’hui couramment utilisée pour calibrer les positions des satellites GPS, une application qui était difficile à imaginer comme un besoin commercial quotidien en 1919.

De même, LIGO pousse les scientifiques à inventer des miroirs, des systèmes de stabilisation et des lasers toujours plus précis, avec des niveaux d’ingénierie de classe mondiale.

Ces innovations sont susceptibles de porter leurs fruits dans toute technologie utilisant ces appareils, y compris les technologies informatiques ou spatiales avancées.

Investir dans l'optique avancée

Corning Incorporated

Alors que les télescopes repoussent les limites du possible en termes de fabrication de précision de verre avancé, cela ouvre également de nombreuses possibilités industrielles dans des secteurs aussi variés que l'automobile, les semi-conducteurs, l'IA, la défense, la biotechnologie, la santé, etc. Le marché de l'optique avancée est un marché de 310 milliards de dollars, qui devrait croître de 9.2 % de TCAC jusqu'en 2032..

Corning est une entreprise spécialisée dans le verre et l'optique, présente depuis 170 ans. Au cours de son histoire, elle a produit les premières ampoules en verre pour l'éclairage électrique de Thomas Edison, la première fibre optique à faible perte, les substrats cellulaires permettant la fabrication de convertisseurs catalytiques et le premier verre de protection résistant aux chocs pour appareils mobiles.

Source: Corning

Aujourd'hui, l'entreprise se concentre sur les technologies de base de la fabrication du verre et de la céramique, ainsi que sur les technologies de physique optique, qui partagent des processus de fabrication et des marchés finaux communs.

Source: Corning

Cette interconnexion technologique permet à l'entreprise de partager des capacités communes de fabrication, de recherche et d'ingénierie entre ses différentes gammes de produits. Avec plus de 52,000 77 employés, plus de 10 sites de production dans le monde et plus de XNUMX centres de R&D, l'entreprise est un acteur majeur de son secteur.

Source: Corning

L'entreprise bénéficie de l'essor de l'IA et de la construction de centres de données (fibres optiques), ainsi que de la consommation globale de verres spéciaux dans les écrans et la biotechnologie.

Corning ne devrait pas être trop impacté par les droits de douane, puisque 90 % du chiffre d'affaires américain provient de produits d'origine américaine. Une très faible part des ventes réalisées en Chine provient d'usines américaines, 80 % des ventes chinoises étant réalisées en Chine.

Les tarifs pourraient même aider, puisque Corning entre sur le marché des panneaux solaires, avec le contrôle stratégique de Hemlock Solar, pour produire des panneaux fabriqués aux États-Unis, alors que les panneaux solaires asiatiques (et pas seulement chinois) sont soumis à des tarifs à quatre chiffres. 80 % de la capacité a déjà été sécurisée par les engagements des clients.

L'énergie solaire est tout à fait logique pour l'entreprise, la gestion du silicium étant une expertise de fabrication essentielle de l'entreprise, ayant produit du polysilicium pendant 60 ans, y compris du silicium ultra-pur (pur à 99.9999999999 %) et lançant maintenant la production de plaquettes de silicium, un produit importé à 100 % aux États-Unis.

Source: Corning

L'entreprise étudie également d'autres technologies avancées dans lesquelles son expertise en matière de verre et de céramique pourrait apporter un avantage solide, notamment le verre pliable, la RA, la capture du carbone, etc.

Source: Corning

Globalement, Corning est une entreprise profondément technologique, dont la production est localisée et qui ne devrait pas souffrir de la démondialisation. Elle s'ouvre également à de nouveaux marchés correspondant à ses compétences clés, notamment l'énergie solaire et les infrastructures de communication optique/IA. Cela en fait à la fois une entreprise relativement conservatrice, qui ne fait qu'approfondir son marché de niche, et une valeur potentiellement porteuse sur les marchés de haute technologie.

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