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Une nouvelle fenêtre sur l'Univers

Les objets astronomiques tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons ont-ils le comportement ondulé prédit par la relativité générale? De manière intéressante, un détecteur d'ondes gravitationnelles à interféromètre laser avancé pourrait apporter une réponse à cette question fondamentale.
Une nouvelle fenêtre sur l'Univers
Albert Einstein avait prévu l'existence des ondes gravitationnelles il y a plus d'un siècle. En 2015, des physiciens qui travaillent au Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), qui associe deux installations gigantesques situées aux États-Unis à Hanford, dans l'état de Washington et à Livingston, dans l'état de Louisiane, ont détecté ces ondulations dans l'espace-temps pour la première fois.

Cette découverte était l'aboutissement de toute une histoire de recherches et, de manière encore plus importante, de progrès technologiques énormes. Pour étendre la portée des détecteurs d'ondes gravitationnelles, des chercheurs financés par l'UE ont exploré différentes approches promettant de surmonter les limites de la mécanique quantique.

Le projet EAGLE (Exploring quantum aspects of gravitational wave detectors) était consacré à une étude systématique de ces approches, en considérant leur complexité et l'amélioration de leur sensibilité. L'objectif était de proposer des principes directeurs pour améliorer les performances des détecteurs d'ondes gravitationnelles du futur.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles, notamment le LIGO, utilisent des lasers haute puissance et des miroirs à l'échelle du kilogramme comme masses de test, séparés par des kilomètres. Pour détecter des ondes gravitationnelles faibles dans l'Univers lointain, elles doivent être extrêmement sensibles aux déplacements les plus minimes de la masse de test. Le bruit de l'origine quantique commence à limiter leur sensibilité.

Les chercheurs ont exploré différentes approches pour réduire le bruit quantique et accentuer la réponse du détecteur aux signaux d'onde gravitationnelle. Une nouvelle approche envisagée dans le cadre du projet EAGLE consiste à placer un dispositif optomécanique qui sert de filtre instable dans une cavité de recyclage du signal, qui compense la phase de latence de propagation (dispersion positive) du signal. Ce nouveau programme peut augmenter la largeur de bande du détecteur, tout en maintenant le pic de sensibilité en se concentrant sur le niveau de bruit.

En utilisant des modélisations numériques et des études analytiques, le travail mené dans le cadre du projet EAGLE a abouti à de nouvelles idées pour concevoir les détecteurs d'ondes gravitationnelles de prochaine génération. Il s'agit des instruments idéaux pour sonder l'Univers, révélant des phénomènes astrophysiques qui n'étaient pas observables grâce à la détection de la lumière cosmique.

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Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

Relativité générale, interféromètre laser, bruit quantique, onde gravitationnelle, LIGO, EAGLE