Keynote Video : Le Dr Keith Thorne explique l’ingénierie extrême du matériel LIGO

Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) est une immense installation mesurée en kilomètres qui est à l’écoute des rides de l’espace-temps. Réussir cela est une histoire vraie de piratage matériel et logiciel, et nous avons eu la chance d’avoir le Dr Keith Thorne plonger dans ces détails avec son discours « Extreme Instruments for Extreme Astrophysics » récemment publié dans le Hackaday Remoticon 2021.

La gravité provoque l’étirement de l’espace-temps – repensez aux diagrammes que vous avez vus d’un orbe massif (une étoile ou une planète) assis sur un plan avec des lignes de quadrillage dessinées dessus, le tissu de ce plan étant étiré vers le bas à partir de la masse de l’orbe. Si vous avez deux entités massives comme des trous noirs en orbite l’une autour de l’autre, elles émettent des ondes gravitationnelles. Lorsqu’elles entrent en collision et fusionnent, elles créent un train de vagues bref mais très puissant. LIGO recherche des preuves de ces événements.

Diagramme de l'interféromètre laserRai Weiss a eu l’idée de rechercher des ondes gravitationnelles à l’aide d’interféromètres laser vers 1967, mais la technologie laser disponible était trop récente pour accomplir l’exploit. Dans un interféromètre, un laser est tiré à travers un séparateur de faisceau et un faisceau se réfléchit sur une distance, puis est recombiné avec l’autre moitié à l’aide d’un photodétecteur pour mesurer l’intensité de la lumière. Au fur et à mesure que la distance dans la longue jambe change, la phase relative des lasers change et la puissance détectée varie.

LIGO n’est pas votre interféromètre de bureau. Il utilise une entrée laser de 5 kW. Les branches de 4 km de l’interféromètre font rebondir la lumière 1 000 fois pour une distance de déplacement effective de 4 000 km. Ces pieds sont maintenus sous vide extrême et les miroirs sont maintenus exceptionnellement immobiles. Ça en vaut la peine; l’instrument peut mesurer avec une précision de 1/10 000 le diamètre d’un proton !

Les hacks qui rendent LIGO possible

Keith dit « Il n’y a pas de société d’interféromètres ACME auprès de laquelle vous pouvez commander des choses ». C’est quelque chose qui est souvent négligé : faire de la science dure signifie généralement faire naître de nouveaux instruments. Alors que le sujet de l’interférométrie laser existait bien avant le début de LIGO, sa précision n’a jamais été vue auparavant dans tout ce que les humains ont construit.

L’équipe utilise des ordinateurs du commerce, mais les systèmes d’exploitation traditionnels ne disposent pas de l’accès en temps réel nécessaire pour lire rapidement les valeurs du photodétecteur. Le piratage consistait à tirer parti des processeurs multicœurs mais à consacrer un seul cœur à la lecture. Cela a été fait via un travail personnalisé avec le noyau Linux.

Schéma graphique de configuration du matériel LIGO
Flux graphique MATLAB pour la configuration de LIGO

Une fois que vous aurez un système comme celui-ci, d’innombrables chercheurs voudront l’utiliser pour mener leurs propres recherches. L’équipe savait que nombre de ces scientifiques utilisaient déjà MATLAB. Le hack de l’interface utilisateur de LIGO consistait à écrire un plugin MATLAB Simulink qui configure le système. Désormais, les chercheurs peuvent utiliser cette interface graphique pour contrôler le matériel directement pendant leur temps sur la machine.

Une grande partie du dépannage a été effectuée pour éliminer le bruit des systèmes de contrôle électronique. Un détail intéressant était qu’ils utilisaient une configuration d’oscillateur à double tonalité (960 Hz et 961 Hz) pour produire un système de synchronisation à 1 impulsion par seconde. Mais il y a d’autres détails juteux comme la nécessité de supprimer les voyants d’état LED près du numériseur car ils injectaient des interférences lorsqu’ils clignotaient.

Les hacks d’ingénierie mécanique sont assez dingues. Le faisceau laser est si puissant qu’une barrière physique est nécessaire pour éviter qu’il ne brûle à travers des équipements délicats. Ils ont construit un obturateur physique à grande vitesse qui peut se mettre en place dans le trajet du faisceau et s’assurer que vous ne faites pas frire votre équipement.

Un regard intérieur sur un équipement absolument incroyable

Nous sommes très reconnaissants à Keith d’avoir présenté cette conférence à Remoticon. LIGO est à la pointe de l’astrophysique, et même les plus geeks d’entre nous n’ont qu’une connaissance rudimentaire du travail en cours. Sa présentation réfléchie intégrée ci-dessous est un plaisir à regarder, et nous espérons qu’elle nous aidera à ouvrir les yeux sur tous les travaux intéressants et les hacks extrêmement intelligents qui se déroulent chaque jour au nom de la science.

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