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

^{Cet article est extrait du Pop’Sciences Mag #6 : Océan, une plongée dans l’invisible}

^{Par Caroline Depecker   |   2 juin 2020}

Installer un laboratoire, dans les profondeurs abyssales, doté d’équipements capables de détecter autant la matière cosmique que les organismes marins, relève de la prouesse scientifique. Les fonds méditerranéens sont le théâtre de cet exploit, accompli grâce à une large coopération européenne dans le cadre du projet KM3Net.

KM3NeT, ou Kilometre Cube Neutrino Telescope, est un projet européen comprenant deux observatoires permettant de détecter la très faible lumière générée par les neutrinos, en cours d’installation en mer Méditerranée. Leur déploiement final est prévu pour 2026. L’un de ces télescopes sous-marins, baptisé ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), arrimé à 3450 mètres de profondeur, au large de la Sicile, est dédié à la recherche de neutrinos de grande énergie[1] provenant de cataclysmes de l’univers tels que des supernovas ou la formation et l’évolution de trous noirs. Il comprendra à terme 230 lignes longues de 700 mètres supportant au total 128 000 capteurs optiques.

Illustration des lignes de détection sous-marine. KM3Net – MEUST – ORCA © Mathilde Destelle

ARCA sera jumelé avec un autre détecteur positionné au large de Toulon : ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss). Immergé à 2500 mètre de fond, celui-ci est optimisé pour traquer les neutrinos de basse énergie[2] en provenance du soleil et de l’atmosphère terrestre. Son objectif : étudier certaines de leurs propriétés, comme leurs oscillations et leurs masses. Une fois achevé, ORCA totalisera 65 000 capteurs optiques répartis sur 115 lignes de détection. Le détecteur compte aujourd’hui six d’entre elles qui montrent un parfait état de fonctionnement.

« Nous sommes contents et soulagés », soufflait fin janvier 2020 Paschal Coyle, physicien au centre de physique des particules de Marseille (CPPM) et responsable scientifique d’ORCA. Le chercheur revenait alors d’une expédition en mer ayant permis d’ajouter deux nouvelles lignes au détecteur. « Positionner des lignes avec une précision d’un mètre, à l’aide d’un robot téléguidé depuis la surface située 2500 mètres plus haut ; tout en sécurisant les connexions électriques lors du branchement des câbles, afin que le signal soit bon… C’est un vrai défi ! » Relevé avec succès. Cette étape réussie a conclu la phase de démonstration du détecteur, qui peut donc continuer à se développer.

Un laboratoire sentinelle, témoin de l’état de santé des fonds marins

Tout en ayant ses yeux braqués sur l’infiniment grand de l’espace, ORCA zoome sur l’infiniment petit des particules. Il explore aussi l’infiniment bleu de l’océan. En effet, depuis trois ans, dans le cadre du projet MEUST-NUMerEnv*, ORCA est progressivement équipé d’instruments connectés en temps réel, et mis au service d’études en sciences de la mer, de la terre et de l’environnement. Véritable plateforme d’expérimentations pluridisciplinaires, ORCA a été intégré au réseau d’observatoires sous-marins EMSO (European Multidisciplinary Seafloor and water column Observatory). Les équipements ajoutés sont nombreux. Parmi eux, une ligne instrumentée autonome, baptisée ALBATROSS observe la colonne d‘eau. Elle collecte différentes  données : pression, température, conductivité, oxygène dissous, matières en suspension, courant. ORCA sera également doté de diverses sondes parmi lesquelles la Biocam, qui photographiera les espèces bioluminescentes.

Voir également l’enquête « Les abysses cachent un monde de lumière« , issue du Pop’Sciences Mag #6

Par ailleurs, Bathy-Bot, un robot chenillé bardé de capteurs et de caméras, évoluera à 2400m de profondeur autour de Bathyreef, un récif artificiel déposé sur le fond et dont la forme a été imaginée afin d’y favoriser l’épanouissement de vie marine. Enfin, des hydrophones répartis sur les lignes du détecteur renseignent sur le déplacement de cétacés et autres mammifères marins à proximité. « Les observatoires câblés comme ORCA constituent des sentinelles précieuses car elles fournissent un suivi pluriannuel, continu et en temps réel, de l’état de l’océan,  commente Séverine Martini, océanographe à l’institut Méditerranéen d’Océanologie de Marseille. Elles nous permettent de détecter ses modifications écologiques potentielles, face au réchauffement climatique et aux autres pressions anthropiques ». Et peut-être de les anticiper.

Références

[1] Neutrinos dont la puissance énergétique est comprise entre 1 et 10 téraélectronvolt (TeV)
[2] Neutrinos dont la puissance énergétique est comprise entre 3 et 100 gigaélectronvolt

* MEUST-NUMer Env est un projet porté par le CNRS, en partenariat avec Aix-Marseille Université (AMU) et l’université de Toulon (UTLN) et en concertation avec le Centre Européen des Technologies Sous-Marines de l’Ifremer. Son objectif est de développer une plateforme scientifique et technologique mutualisée entre sciences environnementales et astrophysique

^{Cet article est extrait du Pop’Sciences Mag #6 : Océan, une plongée dans l’invisible}

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Nous sommes le 24 avril 1990, François Mitterand est président de la République, et Retour vers le futur III sortira dans quelques semaines. Au Centre spatial Kennedy, en Floride, la Navette spatiale Discovery s’apprête à lancer le télescope spatial Hubble. 30 ans plus tard, il est toujours opérationnel et s’apprête à passer le relais.

UUn télescope qui ne fait pas son âge

Avec ses 11 tonnes, ses 13 mètres de long et son miroir de 2,4 mètres de diamètre, le télescope spatial Hubble est un bijou de technologie. Son développement a commencé dans les années 1970, et il aura coûté au total deux milliards de dollars.

Si on le compare aux autres satellites, Hubble a eu une grande longévité. En général, les satellites artificiels sont conçus pour durer 15 ans. Et on le comprend, les satellites sont soumis à des bombardements de rayons cosmiques qui accélèrent le vieillissement du matériel.

Vue du télescope spatial Hubble surplombant la Terre / ©NASA

Cette longévité est due à plusieurs mises à niveau de l’appareil (en 1993, 1997, 1999, 2002 et 2009), mais également à un niveau de qualité de fabrication bien supérieur aux appareils fabriqués en série, comme nos imprimantes et lave-vaisselles. En effet, avec un coût de fabrication aussi élevé et des dizaines d’années de développement, l’obsolescence programmée n’a pas lieu d’être en astronomie.

« Hubble est la preuve que nous pouvons faire autrement, que les ingénieurs savent créer des appareils qui durent, une qualité qu’il faudra exploiter dans notre contexte de fragilité éco-systémique, d’épuisement des ressources et de dégradations de l’environnement », confie Isabelle Vauglin, astrophysicienne au Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL).

Et pourtant, Hubble entamera bientôt sa fin de carrière : plusieurs pièces mécaniques sont vieillissantes (par exemple les gyroscopes), et son successeur, le télescope spatial James-Webb, est prévu depuis plusieurs années et sera lancé normalement en mars 2021.

DDes débuts difficiles

Durant les jours suivant le lancement du télescope, les ingénieurs découvrent un problème optique majeur : les photos sont floues ! On comprend rapidement que la myopie de Hubble provient d’un défaut de courbure du miroir. Heureusement, des opérations de maintenance sont possibles et prévues. La première a pu être avancée afin de corriger l’aberration : on lui a installé une paire de « lunettes correctrices ».

Mission de maintenance de Hubble / ©NASA

Ces opérations ont été facilitées par l’orbite basse du télescope (590 km d’altitude), donc accessible par les navettes spatiales. La mission de maintenance de 1993 permet de corriger cette erreur grâce à un dispositif baptisé COSTAR.

Cette comparaison du noyau de la galaxie M100 montre l’amélioration de l’optique du télescope spatial Hubble, avant et après la première mission de maintenance en décembre 1993 / ©NASA

qqui est Hubble ?

Edwin Hubble, astronome américain

Le télescope Hubble est nommé en référence à l’astronome américain Edwin Hubble, décédé en 1953.

Il est connu pour avoir démontré que les autres galaxies sont hors de la Voie lactée. Il a utilisé pour cela les étoiles variables Céphéïdes, étudiées par Henrietta Leavitt, ce qui lui a permis de mesurer la distance qui nous sépare de ces galaxies.

Le télescope fait donc référence à cette découverte majeure de l’astronomie, car un des objectifs était d’observer les objets très lointains et d’étudier l’expansion de l’Univers.

AAu fait, Pourquoi des télescopes dans l’espace ?

L’atmosphère protège des rayonnements, certains très nocifs pour les êtres vivants. Les astronomes ont pourtant besoin de toutes les longueurs d’onde pour observer les objets célestes, surtout les plus lointains ! C’est pourquoi un télescope hors atmosphère est très intéressant d’un point de vue scientifique. En orbite autour de la Terre, il échappe au « filtre » de l’atmosphère, et capte bien plus d’informations.

Hubble n’est pas le seul télescope spatial, il en existe d’autres, qui ont chacun leur spécialité (infrarouge, micro-ondes, rayons X, rayonnement gamma, etc.).

Présentation des satellites de l’Agence spatiale européenne en fonction des longueurs d’ondes / ©ESA

Présentation des satellites de l’Agence spatiale européenne / ©ESA

Est-ce que le nombre de satellites artificiels est un problème pour les astronomes ? Le nombre de satellites commerciaux et de surveillance connaît une augmentation critique pour les astronomes. En effet, ils réduisent significativement les possibilités d’observation du ciel depuis le sol, et en orbite ils représentent un nombre de débris grandissant pour les autres objets en orbite, comme la Station spatiale internationale.

Le projet de satellites Starlink de l’entreprise SpaceX inquiète particulièrement les scientifiques à ce propos. Ce projet vise à mettre en service plus de 12 000 satellites, qui viendraient s’ajouter aux 2 000 actuellement en orbite. En septembre 2019, l’Agence spatiale européenne a déjà dû dévier un de ses satellites scientifiques afin d’éviter une collision avec un satellite de la constellation Starlink. Une pétition contre ce projet a été lancée par l’Union astronomique internationale.

Rédaction : Rémi Léger, assistant de communication du LabEx ASLAN

PPour aller plus loin

• Hubble : trente ans d’observations spatiales pour éclairer le côté sombre de l’Univers – un article Pop’Sciences rédigé par Caroline Depecker, journaliste scientifique, 17-04-2020
• Aux confins de l’Univers grâce à Hubble – CRAL – Observatoire de Lyon

Depuis son lancement en 1990, le télescope spatial Hubble nous envoie des images du ciel d’une très grande qualité et qui renferment une mine d’informations pour les astronomes. 

L’étoile la plus distante jamais observée / ©NASA – ESA – Johan Richard

C’est le cas pour les équipes de l’Observatoire de Lyon qui travaillent sur les observations fournies par Hubble d’amas de galaxies, ces observations permettant de repousser les « limites » de l’Univers et trouver des galaxies très très lointaines…

Plusieurs résultats récents ont pu être obtenus sur la formation de ces premières galaxies et leur évolution, grâce au programme Hubble des Champs Frontières, qui utilisent un effet appelé « lentille gravitationnelle » pour repousser les limites des observations.

Johan Richard, chercheur au Centre de Recherche Astrophysique de Lyon – CRAL, vous propose une rétrospective de ces découvertes…

AA lire

• Observer les premières galaxies
• Découverte de galaxies naines à foison dans l’Univers jeune
• Découverte de l’étoile la plus distante jamais observée
• Image grand-champ inédite d’amas massifs avec HST 
• Mirages dans l’Univers – Quand la gravité nous joue des tours

AA voir – A écouter

• Les champs frontières du HST – Collège de France, 13 janv. 2020

Galaxies naines / ©NASA – ESA – Johan Richard

PPour aller plus loin

• Hubble : trente ans d’observations spatiales pour éclairer le côté sombre de l’Univers – un article Pop’Sciences rédigé par Caroline Depecker, journaliste scientifique, 17-04-2020
• 30 ans : bientôt la retraite pour Hubble ? – un article rédigé par Rémi Léger, assistant communication LabEx ASLAN, accompagné par Isabelle Vauglin, astrophysicienne au CRAL – Observatoire de Lyon, 16-04-2020