LLa traque des ondes gravitationnelles grâce aux supers miroirs

Photo d’un miroir traité au LMA suspendu dans le bras d’entrée de l'interféromètre Advanced LIGO aux États-Unis. / © LIGO.

Le 14 septembre 2015, l’observation du premier tango entre deux trous noirs, situés à 1,3 milliards d’années-lumière de la Terre, marqua la confirmation directe de l’existence des trous noirs. Cette grande découverte a permis d’ouvrir une porte sur une nouvelle façon d’observer notre Univers via la recherche des ondes gravitationnelles.

Il se passe dans l’Univers des phénomènes physiques, à la fois violents et spectaculaires, comme par exemple, la danse de deux trous noirs ou de deux étoiles à neutrons. Ces deux objets cosmiques très compacts gravitant l’un autour de l’autre, se rapprochant petit à petit, évoluent comme deux danseurs de tango. Quand la fin de la danse approche, une fusion brutale se produit. Le choc entre ces deux trous noirs est si fort qu’il va secouer et faire trembler l’espace-temps. La vibration est une onde qui va se propager comme une vague dans tout l’Univers. Ce phénomène, appelé onde gravitationnelle, a été conceptualisé par Albert Einstein en 1916 et la première détection a eu lieu un siècle plus tard, en 2015.

Les vibrations issues de chocs extrêmement violents dans l’Univers, ont paradoxalement une taille infime en arrivant sur Terre, réduisant ainsi les violentes explosions en un chuchotement.

Simulation de deux trous noirs avant leur collision / © SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project

La Traque d’un siècle : détection des danses cosmiques

La recherche de ces ondes est rendue possible grâce à des observatoires conçus spécialement pour la détection de ce type d’évènement : LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aux États-Unis et Virgo en Italie. Après quatre décennies de recherches et de développement en instrumentation, la découverte des ondes gravitationnelles fut récompensée par un prix Nobel de physique en 2017¹.

Ces observatoires sont des détecteurs optiques géants permettant d’écouter les vibrations de l’espace-temps qui nous viennent du fin fond du cosmos. Ils sont composés de deux bras de plusieurs kilomètres perpendiculaires, d’un laser et de plusieurs miroirs au pouvoir réfléchissant exceptionnel. Le faisceau laser est séparé en deux grâce à une lame séparatrice. Chaque partie du faisceau va se propager le long des bras, rebondir sur les différents miroirs se trouvant en bout de bras et faire plusieurs allers-retours avant de se recombiner au niveau d’un détecteur. Le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre va faire varier la distance parcourue par le faisceau laser et révéler ainsi l’existence d’une danse cosmique.

Les miroirs qui composent le détecteur géant jouent un rôle capital dans la détection, car ils rendent l’instrument extrêmement sensible capable d’entendre les signaux cosmiques qui parcourent l’espace-temps en centaine de milliers d’années lumières². C’est comme un microphone géant qui écoute les signaux qui lui arrivent de l’espace. Ces signaux nous informent sur ce qui se passe au-delà de notre système solaire en nous donnant l’identité, la distance et la masse de ces danseurs de l’extrême fin fond de l’Univers.

Vue aérienne du détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo à Pise (Italie). On peut voir les longs bras de 3 km et le bâtiment central dans lequel le laser et le système de détection se trouvent. / © The Virgo collaboration/N. Baldocchi

Ma mission : une traque à l’échelle micrométrique

La mission qui m’a été confiée pour ma thèse est d’optimiser les miroirs hautes réflectivités des détecteurs d’ondes gravitationnelles Virgo et LIGO. Au Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA/IP2I) de Lyon, les miroirs fabriquées comportent des spécificités à la pointe de la technologie. Grâce à une machine de dépôt unique au monde, on traite les miroirs en déposant une fine couche de matériaux en surface. Par ce procédé, les miroirs deviennent réfléchissants et très précis. Néanmoins, il crée des imperfections en surface qui deviennent problématiques pour la détection des vibrations de l’espace-temps³.

J’étudie la formation de minuscules défauts dans les couches minces optiques. Ces défauts de quelques microns diffusent la lumière du faisceau laser dans les bras des détecteurs induisant une perte en sensibilité. Pour cela, j’analyse de nombreux échantillons de miroirs avec différents paramètres de dépôts et je cherche à identifier la quantité et la nature de ces défauts. En parallèle, une deuxième partie de mon travail consiste à simuler le comportement de ces défauts avec la lumière laser pour comprendre ce qui se passe le long des bras des détecteurs.

Quand le mystère sur l’origine de ces défauts sera percé, il faudra ensuite trouver une solution pour les supprimer, car comprendre leur origine n’est pas suffisant. Ainsi, la performance des futurs miroirs sera grandement améliorée. Ils pourront détecter davantage d’ondes gravitationnelles qui nous arrivent du confins de l’espace et ainsi comprendre un peu plus notre étonnant Univers qui déjà ne cesse de nous surprendre.

Article écrit par Sihem Sayah, doctorante au Laboratoire des Matériaux Avancés – LMA – plateforme nationale de l’IP2I  (Université Claude Bernard Lyon 1)

Article publié dans le cadre des dossiers  « Les doctorants parlent de leur recherche » en partenariat avec Pop’Sciences – 25-06-2020

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Notes :

[1]  Les physiciens américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip S. Thorne.

[2]  Une année lumière (a.l) est la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année. Une année lumière = 9 461 milliards de kilomètres.

[3]  La vibration est une vague qui ne dépasse pas un milliardième de milliardième de mètre tel que mesuré dans les détecteurs géants sur Terre.

PPour aller plus loin

• Ondes gravitationnelles : première détection conjointe LIGO – Virgo, CNRS, 27 sept. 2017
• Les miroirs les plus parfaits du monde, CNRS Le Journal, 27 janv. 2017
• En photos : au Laboratoire des Matériaux Avancés : Einstein dans le miroir, Sciences pour tous, Université Claude Bernard Lyon 1, 7 mars 2016
• Sihem Sayah, Ma thèse en 180 secondes – 2020, Université de Lyon, 3 mars 2020
• Ondes gravitationnelles : les détecteurs de l’extrême, CNRS Le Journal, 11 fév. 2016