Cette mise à niveau permet à l'observatoire de détecter les signaux provenant de collisions entre trous noirs tous les deux à trois jours, contre une fois par semaine ou plus auparavant.
Les ondes gravitationnelles détectées par LIGO sont créées par des objets massifs et se déplaçant rapidement. Ces ondes étirent le tissu de l’espace lorsqu’elles voyagent. Depuis que LIGO a commencé à fonctionner en 2015, l'observatoire a enregistré environ 90 événements d'ondes gravitationnelles, dont la plupart provenaient du mouvement en spirale de paires de trous noirs en train de fusionner en un seul.
Un observatoire détecte des collisions de trous noirs
LIGO se compose de deux détecteurs, ou interféromètres, situés à Washington et en Louisiane. Un interféromètre divise un faisceau laser en deux et les réfléchit entre deux miroirs placés aux extrémités de deux longs tubes à vide. Chaque tuyau mesure 4 km de long et est disposé perpendiculairement en forme de L. À l'intersection des deux tuyaux se trouve un capteur.
En l’absence de toute perturbation de l’espace, les oscillations des faisceaux s’annulent. Mais si l'espace est étiré par des ondes gravitationnelles, la distance entre les faisceaux laser dans les deux tuyaux doit se déplacer, de sorte qu'ils ne se chevauchent pas parfaitement, et le capteur détectera ce « décalage de phase ».
La quantité d’étirement que les événements d’ondes gravitationnelles exercent sur les tuyaux n’est généralement qu’une fraction de la largeur d’un proton. Pour que le capteur puisse enregistrer de si petits changements, il est nécessaire d’isoler le système du bruit provenant de l’environnement et des lasers eux-mêmes.
L'observatoire LIGO est composé de deux interféromètres identiques situés à Washington et en Louisiane (États-Unis). Chaque interféromètre est constitué de deux tubes de 4 km de long disposés en L. (Photo : Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab)
Lors d'une mise à niveau avant le lancement de l'observatoire en 2019-2020, les scientifiques ont réduit le bruit à l'aide d'une technique appelée « compression de la lumière ».
Cette technique vise à réduire le bruit provenant de la lumière laser elle-même. La lumière est composée de particules individuelles, donc lorsque les faisceaux laser atteignent le capteur, des photons individuels peuvent arriver avant ou après, ce qui fait que les ondes laser ne se chevauchent pas et s'annulent complètement même en l'absence d'ondes gravitationnelles.
La technique de « compression de lumière » introduit un faisceau laser auxiliaire dans l'interféromètre, avec des photons plus uniformes et moins bruyants, pour réduire cet effet, explique Lee McCuller, physicien au California Institute of Technology.
Il n’existe pas de mesure parfaite
Mais en raison des règles étranges de la mécanique quantique, la réduction de l’incertitude sur le temps d’arrivée des photons augmente les fluctuations aléatoires de l’intensité de l’onde laser. Cela amène les lasers à pousser contre les miroirs de l'interféromètre et à faire osciller les miroirs, ce qui provoque un autre type de bruit qui réduit leur sensibilité aux ondes gravitationnelles à basse fréquence.
« C’est un magnifique phénomène de la nature, qui montre que nous ne pouvons pas réaliser une mesure absolument précise, lorsque le réglage fin à un point a un coût à un autre point », a déclaré Nergis Mavalvala, physicien expérimental au MIT.
Simulation de deux trous noirs entrant en collision et fusionnant en un seul. (Photo : Centre de vol spatial Goddard de la NASA)
La mise à niveau de 2020 à aujourd’hui vise à résoudre ce problème. Les scientifiques ont construit des tubes à vide supplémentaires de 300 mètres de long, avec des miroirs aux deux extrémités, pour stocker le faisceau secondaire pendant 2,5 millisecondes avant de l'introduire dans l'interféromètre. Le rôle de ces tubes est d'ajuster la longueur d'onde du laser auxiliaire, réduisant le bruit aux hautes fréquences tout en réduisant les vibrations du miroir aux basses fréquences.
Grâce à cette amélioration, les chercheurs pourront extraire des informations plus détaillées sur la façon dont les trous noirs génèrent des ondes gravitationnelles, notamment sur la façon dont chaque trou noir tourne sur son axe et sur la façon dont ils tournent les uns autour des autres. Cela signifie que la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein — qui prédit l’existence à la fois des trous noirs et des ondes gravitationnelles — sera testée plus rigoureusement que jamais auparavant.
Les astrophysiciens prédisent également que les ondes gravitationnelles révéleront d’autres types de signaux en plus de ceux provenant des collisions et des fusions de trous noirs, comme la signature gravitationnelle d’une étoile en train de s’effondrer avant de devenir une supernova. Les scientifiques espèrent également détecter des ondes gravitationnelles provenant de la surface d’un pulsar, une étoile à neutrons en rotation qui émet des impulsions de rayonnement.
(Source : Zing News)
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