Vers des détecteurs avancés d'ondes gravitationnelles
L'an dernier, le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a détecté à deux reprises des ondes gravitationnelles, ce qui laisse penser que des détections de ce type pourraient bientôt se généraliser. Cette quête avait pris plus d'une décennie car il a été difficile d'obtenir la sensibilité nécessaire à la détection de ces rides dans l'espace-temps, dont Albert Einstein avait prédit l'existence il y 100 ans. Pendant ce temps, l'Agence spatiale européenne (ESA) a commencé à travailler sur le projet eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), un observatoire des ondes gravitationnelles qui sera lancé dans les années 2030. Le satellite LISA Pathfinder, une mission de validation de concept, a été placé en orbite en décembre 2015 afin de démontrer la faisabilité de la mission eLISA. Au sol, les chercheurs ont réalisé une installation pour tester les technologies et matériaux qui seront nécessaires dans les observatoires spatiaux d'ondes gravitationnelles. Développée dans le cadre du projet GRLOW (Gravitational wave detectors low-frequency technology test bed), cette installation est composée d'une chambre à vide à contrôle thermique qui permet de supprimer les fluctuations dues à l'environnement. Non seulement l'installation proposée est capable de contrôler les fluctuations environnementales en régime de faible fréquence, mais elle peut également générer des perturbations contrôlées. À l'intérieur de la chambre, un interféromètre d'une sensibilité d'un picomètre permet la caractérisation de matériaux, comme les polymères et le carbure de silicium renforcés par des fibres de carbone, à une largeur de bande pertinente pour les applications spatiales. La mise en œuvre de l'interféromètre est basée sur une modulation de phase profonde, ce qui permet un suivi continu et en temps réel d'une masse en chute libre, comme cela est exigé pour la détection des ondes gravitationnelles. L'équipe de GRLOW a construit à partir de zéro les modulateurs nécessaires afin de créer une note de battement mesurable par un phasemètre basé sur un FPGA (field-programmable gate array). Elle a également développé le système de lecture de l'interféromètre. Adoptant une approche innovante, GRLOW a implémenté le phasemètre dans un système sur une puce. Cette technique permettra de réaliser une métrologie de haute précision sans avoir à recompiler le logiciel à chaque modification d'un paramètre d'entrée. Point important, les chercheurs ont montré avec une expérience sur paillasse qu'il est possible d'atteindre une sensibilité de 10nm par racine de Hertz. Enfin, des techniques d'analyse des données ont été développées pour caractériser le bruit dû à la distorsion thermo-élastique à des fréquences très basses dans le satellite LISA Pathfinder. Ces nouvelles techniques peuvent également être utilisées dans l'installation de GRLOW afin d'accompagner les débuts de l'ère de l'astronomie gravitationnelle, qui apportera de nouvelles informations sur le cosmos.
Mots‑clés
Ondes gravitationnelles, LIGO, eLISA, LISA Pathfinder, GRLOW, chambre à vide, interféromètre
