Les interféromètres

Les interféromètres

 

Il existe plusieurs types d’interféromètres (voir les grandes architectures d’interféromètres sur le site de Futura sciences). Celui qui nous intéresse aujourd’hui est l’interféromètre de Michelson. dont LIGO, Virgo et désormais KAGRA sont des exemples.

Qu’est-ce qu’un interféromètre ?

Un interféromètre est un instrument permettant de former et d’étudier des franges d’interférences.

Qu’est-ce qu’un interféromètre de Michelson ?

L’interféromètre de Michelson est un interféromètre à division d’amplitude. Il se présente sous la forme d’un dispositif constitué de deux longs bras disposés en forme de L. Cet appareil permet de diviser un laser en deux faisceaux grâce à une lame séparatrice inclinée à 45 degrés. Les deux faisceaux ainsi produits se propagent dans les bras perpendiculaires de l’interféromètre. Ils sont réfléchis par des miroirs situés au bout des bras et se recombinent sur la lame séparatrice, produisant des interférences qui sont détectées sur une photodiode (source : Wikipédia, interféromètre Virgo).

Albert A. Michelson

L’interféromètre de Michelson porte le nom de son inventeur : Albert Abraham Michelson, né en 1852 en Prusse et décédé en 1931 en Californie. Il a construit le premier interféromètre pour démontrer l’existence de l’éther ; substance supposée véhiculer la lumière. Son expérience – nommée “expérience de Michelson et Morley” -, réalisée en 1887, visait à mesurer la différence de vitesse de la lumière entre deux directions perpendiculaires, à six mois d’intervalle. Elle fut considérée comme un échec puisqu’il ne constata aucune différence. Plus tard, ces résultats permirent à Hendrik Lorentz de conclure à une réalité physique : le caractère absolu de la vitesse de la lumière.

Ce type d’interféromètre est aujourd’hui utilisé pour détecter des ondes gravitationnelles.

Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle ?

Les ondes gravitationnelles sont des déformations de la structure de l’espace et du temps. Elles contractent et dilatent l’espace sur leur passage. Elles sont générées par la fusion de deux trous noirs, non seulement de masses similaires, mais aussi de masses différentes (découverte récente). Elles sont une conséquence directe de la théorie de la relativité générale publiée par Albert Einstein en 1915.

“Ces ondes se propagent dans le tissu élastique de l’espace-temps, dont les déformations et la courbure sont gouvernées par les équations de la relativité générale. Les prédictions théoriques d’Einstein se sont révélées exactes lorsque les deux interféromètres LIGO construits aux États-Unis ont détecté pour la première fois une onde gravitationnelle le 14 septembre 2015. Les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière et transportent de l’énergie. On peut les comparer à la propagation d’ondes à la surface de l’eau lorsqu’on y jette un caillou. Elles contractent et dilatent l’espace et tout ce qu’il contient, lors de leur déplacement.” (Source : L’Envol du phœnix, roman d’Hélène Destrem.)

La gravitation est la plus faible des forces fondamentales de l’univers, mais elle gouverne les grandes structures de l’univers. Détecter les ondes gravitationnelles, identifier leurs sources d’origine dans l’espace, nous permettra de comprendre un peu mieux les trous noirs.

Les ondes gravitationnelles sont très difficiles à détecter. Elles déplacent les miroirs des interféromètres d’une fraction de la taille d’un proton, soit le milliardième du diamètre d’un atome ! Pour les détecter, les interféromètres doivent être isolés de tous les bruits environnants. Les chercheurs ont réussi à isoler les appareils dans un silence plus grand que celui dans lequel est plongé une navette spatiale en orbite autour de la Terre. Les différents éléments de l’interféromètre sont placés dans un vide extrêmement poussé et protégés par des atténuateurs sismiques.

Les interféromètres LIGO, Virgo et KAGRA.

Les ingénieurs et les chercheurs travaillaient depuis 20 ans à l’élaboration des interféromètres détecteurs d’ondes gravitationnelles, lorsque la première onde gravitationnelle a été détectée en 2015, par les deux interféromètres LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory -, situés aux Etats-Unis.

Virgo est l’interféromètre Européen construit près de Pise en Italie. La France et l’Italie sont les deux pays à l’origine du projet, mais Virgo compte aussi la collaboration des laboratoires de l’Espagne, des Pays-Bas, de la Pologne et de la Hongrie. Virgo a été amélioré en 2017 pour élargir ses performances et améliorer sa sensibilité. Depuis, il permet, avec LIGO, de trianguler les positions des sources d’émissions des ondes gravitationnelles dans l’espace. Il est désormais possible de localiser sur la voûte céleste, avec de fortes probabilités, les sources d’émission des ondes gravitationnelles. Vous pouvez voir une image de la triangulation de la source GW170814, ici.

KAGRA – Kamioka Gravitational Wave Detector – est l’interféromètre japonais. Il est entré en activité en octobre 2019. Comme ses prédécesseurs, son objectif est d’observer directement les ondes gravitationnelles. Avec LIGO et Virgo, il va permettre à la recherche internationale d’affiner les observations. Il présente une différence par rapport aux interféromètres américains et européen : ses miroirs fonctionnent à une température cryogénique, afin de diminuer le bruit thermique – l’un des facteurs limitant la sensibilité des interféromètres. (Source : Next Impact.)

Les interféromètres ont déjà permis aux scientifiques d’observer un grand nombre d’ondes gravitationnelles. Par extrapolation, ils en ont déduit que le nombre de trous noirs dans l’espace était bien plus important que ce que l’on imaginait jusque-là : ils sont estimés à 100 milliards, dont 10 millions auraient une masse de 50 fois celle du Soleil. Ces chiffres élevés permettent de conclure que leurs fusions sont des phénomènes fréquents. Elles aboutissent à la formation de trous noirs dont la masse est presque la somme de celles des deux trous noirs précédents.

Par exemple, le 14 août 2017, LIGO et Virgo ont détecté la fusion de trous noirs stellaires de respectivement 25 et 31 masses solaires, situés à environ 1,8 milliard d’années-lumière de la Voie lactée. La fusion a produit un nouveau trou noir de 53 masses solaires, mais l’équivalent en masse de trois Soleils a été simultanément converti en rayonnement gravitationnel. (Source : Futura sciences.)

Chaque année, les interféromètres opèrent une phase de recherche d’ondes gravitationnelles sur plusieurs mois. On appelle cela des “campagnes d’observation” ou run. En 2019, a ainsi eu lieu le run 03. Plusieurs événements ont été observés : fusion de trous noirs, mais aussi fusion d’étoiles à neutrons. Un événement est en cours d’étude est implique le plus probablement deux étoiles à neutrons, mais les chercheurs n’excluent pas la fusion d’une étoile à neutrons avec un ou deux trous noirs. Affaire à suivre sur le site du CNRS

Pour mieux comprendre comment sont produites les ondes gravitationnelles et comment fonctionne un interféromètre, voici une courte vidéo :

Ce qui est passionnant, dans tout cela, c’est que les découvertes incroyables que les interféromètres vont nous permettre de faire sur les trous noirs et sur l’univers sont possibles grâce à un appareil créé et testé il y a presque 140 ans ! Qui peut prédire ce que l’humanité sera en passe de découvrir dans 140 ans, avec tout ce que nous inventons actuellement ?

Facile : nos auteurs de science-fiction !

H. G.

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