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Espace

Ondes gravitationnelles: la prochaine génération de détecteurs

20-08-2019

Le détecteur Virgo, en Italie, et ses bras de 3 km de long. Photo: Virgo

D’ici une quinzaine d’années, de nouveaux détecteurs ultra-sensibles d’ondes gravitationnelles devraient voir le jour.

Avec la première détection d’ondes gravitationnelles, en 2015, l’astronomie est entrée dans une nouvelle ère. Ces vibrations de l’espace-temps générées par des cataclysmes cosmiques, comme la fusion de deux trous noirs, fournissent des informations inédites aux astronomes, impossibles à obtenir avec les télescopes optiques.

Pour l’instant, trois détecteurs – des interféromètres – sont en fonction: le détecteur Virgo près de Pise, en Italie, et les jumeaux américains LIGO dont un se trouve à Livingston en Louisiane et l’autre à Hanford dans l’État de Washington.

D’ici la fin de l’année 2019, le KAGRA, au Japon, devrait lui aussi amorcer la prise de données. Ce détecteur de 3 km de long fonctionne comme les LIGO/Virgo mais il est installé sous terre, dans une mine.

Quant à la construction du LIGO-India, en Inde, elle vient juste de débuter. Copie des deux LIGO américains, ce nouvel instrument devrait être opérationnel vers 2025. En multipliant les interféromètres, les scientifiques obtiendront des données plus robustes et pourront localiser plus facilement la source des ondes sur la voûte céleste.

Tous ces interféromètres ont une forme de L et fonctionnent selon le même principe. Un laser ultra-stable est divisé en deux faisceaux qui parcourent les deux «bras» du L, longs de 3 km (pour Virgo) et de 4 km (pour les deux LIGO). Au bout de ces tubes à vide, un miroir réfléchit la lumière vers le point de départ et les deux faisceaux se «recombinent» (en réalité, le laser fait plus de 200 allers-retours). Si une onde gravitationnelle passe, elle étire l’espace et la lumière dans l’un des bras et le raccourcit dans l’autre; les deux faisceaux sont donc légèrement décalés.

En 2019, des membres de l’équipe LIGO ont installé un nouvel équipement à vide pour améliorer la sensibilité du détecteur. Photo: LIGO/Caltech/ MIT/Matt Heintze.

Les instruments LIGO et Virgo ont commencé leur troisième période de prise de données en avril 2019. Ils ont subi une série d’améliorations techniques, et leur sensibilité a été considérablement améliorée. «Les détecteurs LIGO n’ont pas encore atteint leur plein potentiel. La National Science Foundation a annoncé cette année qu’elle financerait une nouvelle phase d’amélioration d’ici 2025, qui permettra de rendre les détecteurs à peu près 3 fois plus sensibles qu’aujourd’hui», explique Chad Hanna, chercheur à l’université de Pennsylvanie associé à la collaboration LIGO. Les observatoires pourront sonder un volume de ciel 7 fois plus important qu’actuellement, et détecter une fusion de trous noirs chaque jour, en moyenne.

«Mais les gens pensent déjà à l’étape suivante. Il y a de bonnes idées pour de futurs détecteurs, même s’ils ne sont pas encore financés. Le problème, c’est qu’à partir d’un certain stade, pour augmenter la sensibilité, il faut construire des instruments plus gros», ajoute-t-il.

Nouveaux détecteurs

Cela ne fait pas peur à David Shoemaker, porte-parole de la collaboration LIGO. «Si on construit des détecteurs avec des bras 10 fois plus longs, le signal sera 10 fois plus fort», a-t-il expliqué lors du dernier congrès de l’Association américaine pour l’avancement des sciences, en février 2019 à Washington. «L’Europe envisage la construction du télescope Einstein, un appareil souterrain triangulaire, avec des bras de 10 km de long. Aux États-Unis, on planche sur le Cosmic Explorer: un interféromètre en forme de L avec des bras de 40 km de long», a-t-il présenté. Prévus pour les années 2030, ces détecteurs colossaux ne sont encore qu’à l’état de projet.

Le détecteur spatial LISA. Source: NASA

La décennie 2030 pourrait aussi voir le lancement de LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un détecteur d’ondes gravitationnelles spatial. Cette mission de l’Agence spatiale européenne reposera sur trois sondes spatiales qui voleront en formation triangulaire, chacune d’entre elles se trouvant à 2,5 millions de kilomètres des deux autres. Le dispositif devrait pouvoir capter des ondes gravitationnelles de basse fréquence, produites par des trous noirs supermassifs très lointains, voire les premiers stades du Big Bang.

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