La technologie de détection des ondes gravitationnelles est sur le point de faire un grand bond en avant grâce à une avance d'instrumentation dirigée par le physicien Jonathan Richardson de l'Université de Californie à Riverside. Un article détaillant l'invention, publié dans la revue Opticarapporte le développement et les tests réussis de Frosti, un prototype à grande échelle pour contrôler les fronts d'ondes laser à des niveaux de puissance extrêmes à l'intérieur de l'observatoire à ondes gravitationnelles interféromètres laser, ou LIGO.
Le Ligo est un observatoire qui détecte les ondes gravitationnelles – les londe dans l'espace-temps causées par des objets accélérés massifs comme la fusion des trous noirs. C'était le premier à confirmer leur existence, soutenant la théorie de la relativité d'Einstein. LIGO utilise deux interféromètres laser de 4 km de long à Washington et en Louisiane pour capturer ces signaux, ouvrant une nouvelle fenêtre sur l'univers et approfondissant notre compréhension des trous noirs, de la cosmologie et des états extrêmes de la matière.
Les miroirs de Ligo sont parmi les composants les plus précis et soigneusement conçus de l'observatoire. Chaque miroir mesure 34 cm de diamètre et 20 cm d'épaisseur et pèse environ 40 kg. Les miroirs doivent rester parfaitement immobiles pour détecter les distorsions dans l'espace-temps inférieur à 1/1 000e le diamètre d'un proton. Même les plus petites vibrations ou perturbations environnementales peuvent submerger le signal d'onde gravitationnelle.
« Au cœur de notre innovation se trouve un nouveau dispositif d'optique adaptatif conçu pour remodeler précisément les surfaces des principaux miroirs de Ligo sous des puissances laser dépassant 1 mégawatt – plus d'un milliard de fois plus fort qu'un pointeur laser typique et près de cinq fois le Power Ligo que Ligo utilise aujourd'hui », a déclaré Richardson, professeur adjoint de la physique et de l'astronomie. « Cette technologie ouvre une nouvelle voie pour l'avenir de l'astronomie à ondes gravitationnelles. Il s'agit d'une étape cruciale vers la prochaine génération de détecteurs comme Cosmic Explorer, qui verra plus profondément dans l'univers que jamais. »
Quelqu'un a-t-il dit Frosti?
Frosti, abrégé pour l'irradiateur de type de surface avant, est un système de contrôle du front d'onde de précision qui contrecarre les distorsions causées par un chauffage au laser intense dans l'optique de Ligo. Contrairement aux systèmes existants, qui ne peuvent effectuer des ajustements grossiers, Frosti utilise un système de projection thermique sophistiqué pour apporter des corrections d'ordre supérieur affinées. Ceci est crucial pour la précision nécessaire dans les futurs détecteurs.
Malgré son nom glacé, Frosti fonctionne en chauffant soigneusement la surface du miroir, mais d'une manière qui le restaure à sa forme optique d'origine. En utilisant le rayonnement thermique, il crée un motif de chaleur personnalisé qui lisse les distorsions sans introduire un bruit excessif qui pourrait imiter les ondes gravitationnelles.
Pourquoi ça compte
Les ondes gravitationnelles ont été détectées pour la première fois par LIGO en 2015, lançant une nouvelle ère en astronomie. Mais pour débloquer pleinement leur potentiel, les futurs détecteurs doivent être en mesure d'observer des événements plus éloignés avec une plus grande clarté.
« Cela signifie repousser les limites de la puissance laser et de la précision au niveau quantique », a déclaré Richardson. « Le problème est que l'augmentation de la puissance du laser a tendance à détruire les états quantiques délicats sur lesquels nous nous appuyons pour améliorer la clarté du signal. Notre nouvelle technologie résout cette tension en s'assurant que les optiques restent inconnus, même aux niveaux de puissance de Megawatt. »
La technologie aidera à élargir la vue à ondes gravitationnelles de l'univers par un facteur de 10, permettant potentiellement aux astronomes de détecter des millions de troubles noirs et de fusions d'étoiles à neutrons à travers le cosmos avec une fidélité inégalée.
Dans l'avant: Ligo un # et Cosmic Explorer
Frosti devrait jouer un rôle essentiel dans Ligo A #, une mise à niveau prévue qui servira de Pathfinder pour l'observatoire de nouvelle génération connu sous le nom de Cosmic Explorer. Alors que le prototype actuel a été testé sur un miroir LIGO de 40 kg, la technologie est évolutive et sera finalement adaptée aux miroirs de 440 kg envisagés pour Cosmic Explorer.
« Le prototype actuel n'est que le début », a déclaré Richardson. « Nous concevons déjà de nouvelles versions capables de corriger des distorsions optiques encore plus complexes. Il s'agit de la fondation de R&D pour les 20 prochaines années d'astronomie à ondes gravitationnelles. »
Richardson a été rejoint dans la recherche par des scientifiques de l'UCR, du MIT et de Caltech.
