La gravité est l’une des forces les plus évidentes de l’univers, généralement considérée comme facilement perceptible par la façon dont les pommes tombent des arbres. Cependant, les mécanismes sous-jacents de la gravité sont excessivement complexes et font l’objet de nombreuses études à ce jour.

Un élément majeur de cette étude concerne le concept des ondes gravitationnelles. Posés pour la première fois par Henri Poincaré en 1905, et plus tard un élément majeur de la théorie générale de la relativité d’Einstein, ils sont un phénomène recherché par des générations de physiciens depuis. Pour l’équipe de l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser, ou LIGO, trouver des preuves directes des ondes gravitationnelles est le travail d’une journée.

Que sont les ondes gravitationnelles de toute façon?

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps lui-même, causées par l’accélération des masses avec une certaine forme d’asymétrie. Par exemple, un haltère tournant autour de son axe principal ne générerait pas d’ondes gravitationnelles, pas plus qu’une sphère en rotation ou un disque plat. Cependant, un haltère culbute d’une extrémité à l’autre, ou un avec une asymétrie significative, aurait générer des ondes gravitationnelles. La plupart des sources d’ondes gravitationnelles sont dues à des événements majeurs à l’échelle cosmologique, car plus les masses impliquées sont grandes, plus les ondes gravitationnelles créées sont importantes. Les sources typiques incluent les systèmes d’étoiles binaires, où deux grandes étoiles orbitent l’une autour de l’autre, ou des trous noirs binaires. Les explosions de supernova accélèrent asymétriquement d’énormes quantités de masse et devraient donc également créer des ondes gravitationnelles. Dans de rares cas, des étoiles à neutrons en rotation incroyablement denses qui ne sont pas tout à fait parfaitement sphériques devraient également provoquer de telles ondes, en raison d’irrégularités de surface qui les rendent asymétriques – bien que celles-ci ne soient pas encore détectées dans la pratique.

Détection des ondes gravitationnelles

Une onde gravitationnelle déforme l’espace-temps, le resserre ou l’étire en passant. Malheureusement pour les physiciens du monde qui travaillent dur, l’interaction entre les ondes gravitationnelles et la matière est très faible. Combiné au fait que la force des ondes gravitationnelles s’affaiblit avec l’inverse de la distance de la source, la détection des ondes gravitationnelles est en effet très difficile.

La disposition de base de l’interféromètre LIGO. A noter les cavités Fabry Pérot qui permettent à l’interféromètre de 4 km de long d’étendre sa longueur fonctionnelle à 1200 km.

L’utilisation d’appareils de mesure conventionnels n’est pas viable pour étudier de tels phénomènes. LIGO doit mesurer les changements de distance inférieurs à 10000 fois la taille d’un proton (soit environ 8,4 x 1020 m) pour déterminer l’effet des ondes gravitationnelles sur ses détecteurs. Il le fait avec un interféromètre laser en forme de L. Un faisceau laser est tiré sur un séparateur de faisceau à 45 degrés, qui envoie de la lumière sur une jambe du L et le reste de la lumière sur l’autre. À la fin de chaque jambe se trouve un miroir qui renvoie la lumière. La lumière de chaque jambe est ensuite recombinée et projetée sur un photodétecteur. Au fur et à mesure que la longueur de chaque jambe du L change, la lumière parcourt une distance différente sur chaque trajet.

Lorsque la lumière réfléchie est recombinée, un motif d’interférence est généré car la lumière de chaque chemin interfère de manière constructive et destructive. Ce motif d’interférence peut ensuite être utilisé pour déterminer la longueur de chaque jambe de manière incroyablement précise, et ainsi utilisé pour déterminer si une onde gravitationnelle est passée, déformant l’espace-temps autour de l’interféromètre. Plus les jambes d’un interféromètre sont longues, plus il est sensible aux ondes gravitationnelles, par conséquent chaque jambe de l’interféromètre de LIGO mesure quatre kilomètres de long.

Pour améliorer encore la sensibilité, l’interféromètre comporte ce que l’on appelle les cavités Fabry Perot, qui font rebondir la lumière sur chaque jambe 300 fois avant qu’elle n’atteigne le photodétecteur. Cela a pour effet d’amener la lumière laser à parcourir 1200 kilomètres de haut en bas de chaque jambe avant qu’elle n’atteigne le détecteur, augmentant considérablement la sensibilité aux changements infimes de la taille de chaque jambe.

Stabiliser les instruments

Les miroirs de LIGO, connus en interne sous le nom de «masses d’essai», sont suspendus à un pendule à quatre étages par des fibres de verre, agissant comme une mesure de stabilisation passive contre les perturbations.

Si la construction d’un gigantesque interféromètre de 4 km de côté ne vous a pas semblé assez difficile, ne vous inquiétez pas, il y a plus à faire. Avec les changements infimes de distance mesurés, même un léger grondement d’un camion qui passe ou un tremblement de terre éloigné pourrait secouer suffisamment l’ensemble de l’interféromètre pour ruiner les mesures. Pour éviter cela, un système d’amortissement actif est utilisé pour stabiliser le système. Une variété de capteurs détectent les tremblements et les vibrations environnementales, et un contre-mouvement est généré pour maintenir les choses stables.

De plus, les miroirs eux-mêmes sont suspendus à un pendule à quatre étages, appelé le «quad», pour minimiser les perturbations. Le poids lourd de 40 kg des miroirs du système, ou «masses d’essai», contribue également à la stabilité grâce à une inertie pure. L’ensemble du trajet lumineux est également maintenu à un vide d’un billionième de la pression atmosphérique au niveau de la mer, car les molécules d’air errantes qui rebondissent créent un bruit qui perturbe les lectures du capteur.

Le système LIGO est en fait l’un des plus grands aspirateurs au monde en volume, le grand collisionneur de hadrons en Suisse étant un exemple plus important. Atteindre ce vide n’est pas une mince affaire. Les tubes étant d’abord chauffés pour chasser autant de gaz résiduel que possible, une série de turbopompes et de pompes ioniques ont été utilisées pour réduire la pression à l’intérieur. Il a fallu 40 jours pour ramener chaque tube de LIGO au niveau de vide requis. Les bras de l’interféromètre sont maintenus sous vide depuis les années 1990; des vannes d’arrêt sont utilisées pour sceller les chambres d’angle pour l’entretien et les mises à niveau si nécessaire.

Un laser de 200 watts ne dérange pas

Masses de réaction de fin utilisées dans l’interféromètre LIGO. Chacun pèse 40 kg et doit être absolument exempt de défauts pour des performances optimales.

Le laser utilisé dans LIGO est également vital pour les performances du détecteur. Avec un faisceau laser plus fort et plus puissant, les signaux captés par le photodétecteur sont moins susceptibles d’être perturbés par le bruit. «Nous voulons autant de photons interagissant avec la masse de test que possible», déclare Georgia Mansell, membre postdoctorale de l’équipe de mise en service du LIGO. La mise à niveau Advanced LIGO a équipé les installations d’un système laser de 200 W, bien que le niveau de puissance maximal n’ait pas encore été utilisé dans la pratique. «Lors de notre dernière opération d’observation, nous avons eu un problème où il y avait un défaut ponctuel dans l’un des revêtements de masse d’essai… il absorbe beaucoup de chaleur et crée un profil thermique étrange dans l’optique. En fin de compte, nous avons utilisé 40 watts lors de la dernière course d’observation. » En janvier 2021, la masse d’essai défectueuse a été remplacée et l’interféromètre a commencé à se préparer pour son prochain essai d’observation.

Parmi les grandes installations de physique, LIGO est quelque peu unique en son genre, c’est qu’il ne s’agit pas d’une seule installation. Au lieu de cela, l’ensemble de l’interféromètre a été construit deux fois, dans deux endroits distincts – l’Observatoire LIGO Livingston en Louisiane et l’Observatoire LIGO Hanford à Washington. Cela a l’avantage de permettre au système de corréler les découvertes d’ondes gravitationnelles potentielles à travers les deux emplacements. Cela peut aider à exclure des phénomènes tels que les vibrations dues au trafic ou à l’activité sismique provenant de véritables détections d’ondes gravitationnelles.

Observations

Traces de signal de la première détection d’onde gravitationnelle confirmée. Des t-shirts ont été créés pour célébrer la découverte, et cet auteur a la chance d’en avoir un.

La première détection directe d’onde gravitationnelle a été faite le 14 septembre 2015, détectée par les deux observatoires LIGO à l’époque. Depuis lors, de nombreuses autres observations réussies ont été faites, la dernière série d’observation ayant permis de détecter 55 détections avant d’être restreinte par le COVID-19. Avec l’existence d’ondes gravitationnelles confirmée par l’observation directe, des travaux se poursuivent pour mieux comprendre les phénomènes. Chaque détection provient d’un événement stellaire différent et éclaire davantage les processus physiques sous-jacents en jeu. La plus grande détection à ce jour remonte au 21 mai 2019, probablement en raison de la fusion de deux trous noirs. Les données sont comparées entre les deux observatoires LIGO, ainsi qu’une installation similaire en Italie sous le nom de VIRGO, pour aider à localiser la source de toutes les vagues observées.

Être capable de détecter les ondes gravitationnelles permet d’étudier des phénomènes difficiles d’accès avec l’astronomie optique ou électromagnétique traditionnelle.

Avant LIGO, on ne savait pas vraiment combien de trous noirs binaires il y avait dans l’univers… on ne peut pas vraiment les voir. Ce à quoi LIGO est sensible, c’est ce moment final où ils fusionnent … Nous faisons des trucs sympas avec la distribution de trous noirs binaires … ils pourraient être distribués de manière isotrope à travers l’univers, ou il pourrait y avoir plus de trous noirs dans certains systèmes.

Au fur et à mesure que de plus en plus de mesures arrivent et que les théories physiques évoluent, les données collectées dans le cadre du projet peuvent apporter des informations supplémentaires sur la structure même de l’univers lui-même.

L’expérience LIGO est un excellent exemple du niveau de sophistication requis pour étudier les phénomènes à la pointe de la physique. Souvent, il y a un énorme décalage entre les théories proposées et les confirmations expérimentales réussies; dans ce cas, un siècle complet s’est écoulé avant que les ondes gravitationnelles puissent être directement détectées. C’est un travail acharné pour démêler les secrets de l’univers, mais comme toujours, les scientifiques sont prêts à relever le défi.

[Thanks to Georgia Mansell of the LIGO project who consulted on this article! Her livestreams working on LIGO’s interferometer can be seen on Twitch.tv.]