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 rapides qui étirent l'espace. Depuis sa mise en service en 2015, LIGO a enregistré environ 90 événements d'ondes gravitationnelles, la plupart provenant du mouvement en spirale de paires de trous noirs en voie de fusion.
Un observatoire détecte des collisions de trous noirs
LIGO est composé de deux détecteurs, ou interféromètres, situés à Washington et en Louisiane. L'interféromètre divise un faisceau laser en deux et le réfléchit entre deux miroirs placés aux extrémités de deux longs tubes à vide. Chaque tube mesure 4 km de long et est disposé perpendiculairement en forme de L. Un capteur se trouve à l'intersection des deux tubes.
En l'absence de perturbations spatiales, les oscillations des faisceaux s'annuleraient. Mais si l'espace est étiré par les ondes gravitationnelles, la distance entre les faisceaux laser dans les deux tubes doit se déplacer, de sorte qu'ils ne se chevauchent pas parfaitement, et le capteur détectera ce « déphasage ».
L'étirement des tubes par les ondes gravitationnelles ne représente généralement qu'une fraction de la largeur d'un proton. Pour que le capteur puisse enregistrer des variations aussi minimes, il est nécessaire d'isoler le système du bruit ambiant 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 émis par la lumière laser elle-même. La lumière est composée de particules individuelles ; ainsi, lorsque les faisceaux laser atteignent le capteur, des photons individuels peuvent arriver avant ou après, ce qui empêche les ondes laser de se chevaucher et de s'annuler 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 étranges lois de la mécanique quantique, la réduction de l'incertitude sur le temps d'arrivée des photons accroît les fluctuations aléatoires de l'intensité des ondes laser. Celles-ci poussent alors les lasers contre les miroirs de l'interféromètre, provoquant leur oscillation, créant un autre type de bruit qui réduit leur sensibilité aux ondes gravitationnelles 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 vise à résoudre ce problème. Les scientifiques ont construit des tubes à vide supplémentaires de 300 mètres de long, munis de miroirs à chaque extrémité, pour stocker le faisceau auxiliaire pendant 2,5 millisecondes avant de l'envoyer dans l'interféromètre. Ces tubes ont pour rôle d'ajuster la longueur d'onde du laser auxiliaire, réduisant ainsi le bruit à hautes fréquences et les vibrations du miroir à basses fréquences.
Grâce à cette amélioration, les chercheurs pourront extraire des informations plus détaillées sur la manière dont les trous noirs génèrent des ondes gravitationnelles, notamment sur la rotation de chaque trou noir sur son axe et sur leur rotation les uns autour des autres. Cela signifie que la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, qui prédit l'existence des trous noirs et des ondes gravitationnelles, sera testée plus rigoureusement que jamais.
Les astrophysiciens prédisent également que les ondes gravitationnelles révéleront d'autres types de signaux que ceux des collisions et des fusions de trous noirs, comme la signature gravitationnelle d'une étoile en effondrement avant de devenir une supernova. Les scientifiques espèrent également détecter des ondes gravitationnelles à la surface d'un pulsar, une étoile à neutrons en rotation qui émet des impulsions de rayonnement.
(Source : Zing News)
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