{"id":2100,"date":"2016-02-10T22:09:44","date_gmt":"2016-02-10T22:09:44","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.futura-sciences.com\/luminet\/?p=2100"},"modified":"2017-04-15T07:05:20","modified_gmt":"2017-04-15T07:05:20","slug":"la-lumiere-gravitationnelle-22","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.futura-sciences.com\/luminet\/2016\/02\/10\/la-lumiere-gravitationnelle-22\/","title":{"rendered":"La “lumi\u00e8re” gravitationnelle (2\/4) : de la barre \u00e0 l’interf\u00e9rom\u00e8tre"},"content":{"rendered":"

Suite du billet pr\u00e9c\u00e9dent\u00a0 Principes de base<\/a><\/strong><\/p>\n

Nouvelles lucarnes<\/h5>\n

Un mot un seul mot suffit<\/em>
\n\u00e0 perturber l’espace<\/em>
\nJean-Marc Debenedetti<\/p>\n

Pour capter la lumi\u00e8re, il faut des t\u00e9lescopes. Comment concevoir un t\u00e9lescope gravitationnel\u00a0?<\/p>\n

Le principe est simple. De m\u00eame que les ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques font vibrer une antenne r\u00e9ceptrice, les ondes gravitationnelles font vibrer d\u2019une certaine fa\u00e7on la mati\u00e8re qu\u2019elles rencontrent\u00a0; les \u00ab\u00a0rides de courbure\u00a0\u00bb faisant l\u00e9g\u00e8rement onduler le tissu \u00e9lastique de l\u2019espace-temps allongent ou raccourcissent les distances sur leur passage. Si, par exemple, le d\u00e9tecteur est un bloc de mati\u00e8re solide, ses diff\u00e9rentes parties sont enclines \u00e0 se mouvoir dans diff\u00e9rentes directions \u00e0 la travers\u00e9e de l\u2019onde gravitationnelle. Remarquons que, en raison de la travers\u00e9e permanente d\u2019ondes gravitationnelles, aucun corps mat\u00e9riel, aussi rigide soit-il, n\u2019est strictement ind\u00e9formable.<\/p>\n

Une collision de deux trous noirs stellaires au centre de la Galaxie se traduirait par un d\u00e9placement de 10\u201314<\/sup>\u00a0millim\u00e8tre des extr\u00e9mit\u00e9s d\u2019un d\u00e9tecteur ayant la forme d\u2019une barre de 1\u00a0m\u00e8tre de long. L\u2019amplitude correspondante, qui est le rapport entre le d\u00e9placement et la taille du d\u00e9tecteur, est donc de 10\u201317<\/sup>. Le m\u00eame ph\u00e9nom\u00e8ne se d\u00e9roulant dans l\u2019amas de galaxies de la Vierge, \u00e0 60\u00a0millions d\u2019ann\u00e9es-lumi\u00e8re, ne nous offrirait plus qu\u2019une amplitude de 10\u201320<\/sup>.<\/p>\n

\u00c0 titre de comparaison, lorsqu\u2019une onde gravitationnelle de cette nature traverse notre plan\u00e8te, elle ne fait varier le diam\u00e8tre du globe (12\u00a0700\u00a0kilom\u00e8tres) que de la largeur d\u2019un atome. La construction d\u2019un d\u00e9tecteur d\u2019ondes gravitationnelles est donc un v\u00e9ritable d\u00e9fi technologique.<\/p>\n

\"Joseph
Joseph Weber et sa barre gravitationnelle en 1965<\/figcaption><\/figure>\n

En 1965, Joseph Weber fit construire \u00e0 l\u2019universit\u00e9 du Maryland un grand cylindre d\u2019aluminium de 50\u00a0centim\u00e8tres de diam\u00e8tre pour 2\u00a0m\u00e8tres de long, cens\u00e9 r\u00e9pondre par une oscillation de ses extr\u00e9mit\u00e9s aux ondes gravitationnelles en provenance du centre galactique. Quand une onde gravitationnelle traverse le cylindre, l\u2019effet de mar\u00e9e qui en r\u00e9sulte tend \u00e0 \u00e9loigner puis \u00e0 attirer les deux extr\u00e9mit\u00e9s de la barre m\u00e9tallique. Weber crut avoir observ\u00e9 des effets positifs et l\u2019annon\u00e7a avec fracas\u00a0; mais, comme l\u2019ont montr\u00e9 diverses exp\u00e9riences analogues, r\u00e9alis\u00e9es par la suite dans plusieurs pays (dont une, en France, \u00e0 l\u2019observatoire de Meudon), il s\u2019agissait d\u2019une interpr\u00e9tation incorrecte d\u2019erreurs exp\u00e9rimentales. En effet, une explosion de supernova dans le centre galactique produirait au mieux une onde d\u2019amplitude 10\u201318<\/sup>, alors que la meilleure des barres de Weber ne pourrait d\u00e9tecter qu\u2019une amplitude 10\u00a0milliards de fois plus grande. De plus, la d\u00e9tection gravitationnelle d\u2019une supernova dans le centre de la Galaxie rel\u00e8verait d\u2019un hasard invraisemblable\u00a0: dans l\u2019ensemble de la Galaxie, il ne doit pas exploser plus d\u2019une supernova tous les dix ans, et l\u2019impulsion gravitationnelle d\u2019une explosion ne dure qu\u2019une fraction de seconde.<\/p>\n

L\u2019explosion de la supernova magellanique apparue en f\u00e9vrier\u00a01987, \u00e0 \u00ab\u00a0seulement\u00a0\u00bb 170\u00a0000\u00a0ann\u00e9es-lumi\u00e8re de la Terre, a peut-\u00eatre engendr\u00e9 une bouff\u00e9e d\u2019ondes gravitationnelles d\u2019intensit\u00e9 suffisante pour \u00eatre capt\u00e9e par les deux ou trois d\u00e9tecteurs (des barres r\u00e9sonantes \u00e0 la Weber) alors en op\u00e9ration dans le monde\u2026 s\u2019ils avaient \u00e9t\u00e9 branch\u00e9s. Or, ce jour-l\u00e0, ils \u00e9taient en r\u00e9vision technique\u00a0!<\/p>\n

Le site le plus favorable pour engendrer des ondes gravitationnelles d\u00e9tectables est l\u2019amas de galaxies de la Vierge, o\u00f9 les explosions de supernovae et les coalescences de pulsars binaires, r\u00e9partis dans les quelques milliers de galaxies regroup\u00e9es dans une petite r\u00e9gion angulaire du ciel, se produisent \u00e0 la fr\u00e9quence moyenne de une par semaine. Mais l\u2019amas de la Vierge n\u2019est pas \u00e0 25\u00a0000\u00a0ann\u00e9es-lumi\u00e8re comme le centre galactique, il est en moyenne \u00e0 60\u00a0millions d\u2019ann\u00e9es-lumi\u00e8re. Cela signifie que, pour d\u00e9tecter la lumi\u00e8re gravitationnelle d\u2019un \u00e9v\u00e9nement dans la Vierge, il faut une sensibilit\u00e9 encore un million de fois plus grande que celle requise pour d\u00e9tecter le m\u00eame \u00e9v\u00e9nement dans la Voie lact\u00e9e\u2026<\/p>\n

\"L\u2019amas
L\u2019amas de la Vierge est un grand amas de galaxies proche de nous, \u00e0 environ 60 millions d\u2019ann\u00e9es-lumi\u00e8re. Il fut d\u00e9couvert par Charles Messier en 1781, qui cartographia un grand nombre de ses galaxies les plus importantes, notamment la g\u00e9ante M87. M\u00e9lange h\u00e9t\u00e9rog\u00e8ne de galaxies spirales et elliptiques, cet amas est situ\u00e9 dans la constellation de la Vierge et comporte entre 1 300 et 2 000 galaxies, parmi lesquelles les explosions de supernovae et les coalescences de binaires compactes sont suffisamment fr\u00e9quentes pour engendrer des ondes gravitationnelles d\u00e9tectables sur Terre. C\u2019est donc la cible principale des interf\u00e9rom\u00e8tres VIRGO et LIGO.<\/figcaption><\/figure>\n
L’interf\u00e9rom\u00e9trie gravitationnelle<\/h5>\n

Heureusement, la technologie a progress\u00e9 depuis l\u2019exp\u00e9rience de Weber. La voie actuelle consiste non plus \u00e0 faire vibrer un cylindre, mais \u00e0 mesurer les oscillations de la s\u00e9paration entre deux miroirs plac\u00e9s aux extr\u00e9mit\u00e9s de longs bras, les distances \u00e9tant contr\u00f4l\u00e9es par un syst\u00e8me d\u2019interf\u00e9rences lumineuses. Il s\u2019agit donc d\u2019une adaptation de l\u2019exp\u00e9rience de Michelson et Morley, destin\u00e9e non plus \u00e0 mesurer les d\u00e9placements absolus dans l\u2019\u00e9ther, mais \u00e0 enregistrer les fr\u00e9missements gravitationnels de l\u2019espace-temps. Un interf\u00e9rom\u00e8tre permet en effet de d\u00e9terminer, gr\u00e2ce \u00e0 des franges d\u2019interf\u00e9rences, la distance entre deux miroirs avec une tr\u00e8s grande pr\u00e9cision. On peut alors comparer la longueur d\u2019un objet \u00e0 une longueur d\u2019onde connue.<\/p>\n

Le principe de l\u2019interf\u00e9rom\u00e8tre gravitationnel<\/strong> est le suivant. Un faisceau laser ultra-stable est divis\u00e9 en deux par un miroir semi-r\u00e9fl\u00e9chissant. Les faisceaux sortants sont dirig\u00e9s le long de deux bras perpendiculaires, form\u00e9s de tubes en acier inoxydable plac\u00e9s sous ultravide et situ\u00e9s dans des tunnels l\u00e9g\u00e8rement sur\u00e9lev\u00e9s. Aux extr\u00e9mit\u00e9s des bras sont suspendus deux miroirs \u00e9galement maintenus sous ultravide, isol\u00e9s des perturbations sismiques. Apr\u00e8s une s\u00e9rie de r\u00e9flexions successives sur les miroirs afin d\u2019augmenter la longueur de trajet, les faisceaux sont \u00e0 nouveau combin\u00e9s sur une table de d\u00e9tection, suspendue et plac\u00e9e elle aussi sous vide. Les deux faisceaux produisent des interf\u00e9rences. Si les photodiodes ne d\u00e9tectent aucune variation de lumi\u00e8re, c\u2019est que chacun des faisceaux a parcouru la m\u00eame distance et que les miroirs n\u2019ont pas boug\u00e9 l\u2019un par rapport \u00e0 l\u2019autre \u00e0 10\u201318<\/sup>\u00a0m\u00e8tre pr\u00e8s. Si au contraire on rep\u00e8re un d\u00e9placement des franges d\u2019interf\u00e9rence, c\u2019est que cette distance a vari\u00e9 et qu\u2019une onde gravitationnelle est pass\u00e9e par l\u00e0.<\/p>\n

Bien que les bras de l’interf\u00e9rom\u00e8tre mesurent 3\u00a0km de long, l\u2019amplitude de leur d\u00e9formation est inf\u00e9rieure \u00e0 la taille d\u2019un atome. \u00c0 l’int\u00e9rieur des bras de 3\u00a0km r\u00e8gne le vide le plus pouss\u00e9 que l\u2019on puisse r\u00e9aliser sur Terre. Les miroirs sont dix fois plus parfaits que ceux du Very Large Telescope au Chili, et la stabilit\u00e9 des faisceaux laser est incomparable.<\/p>\n

\"Vue
Vue a\u00e9rienne du d\u00e9tecteur d\u2019ondes gravitationnelles Virgo construit pr\u00e8s de Pise, en Italie On distingue le b\u00e2timent central, c\u0153ur de l\u2019interf\u00e9rom\u00e8tre d\u2019o\u00f9 partent les deux bras de 3 kilom\u00e8tres chacun, les b\u00e2timents d\u2019administration et de recherche.<\/figcaption><\/figure>\n

Le plus grand probl\u00e8me est l\u2019environnement sismique, auquel le syst\u00e8me doit \u00eatre totalement insensible. Une l\u00e9g\u00e8re secousse tellurique ou le passage d\u2019un simple camion \u00e0 10\u00a0km peut faire \u00e9chouer l\u2019exp\u00e9rience\u00a0; il faut donc que l\u2019optique de l’interf\u00e9rom\u00e8tre soit suspendue \u00e0 des att\u00e9nuateurs sismiques. On obtient des gains en isolement de 1014<\/sup> \u00e0 la fr\u00e9quence de 10\u00a0hertz.<\/p>\n

Plus la distance entre les miroirs r\u00e9flecteurs est grande, plus les effets du signal gravitationnel ont des chances d\u2019\u00e9merger du \u00ab\u00a0bruit\u00a0\u00bb perturbateur faisant vibrer en permanence le syst\u00e8me (ondes sonores, sismiques, etc.). En construisant des miroirs de tr\u00e8s grande qualit\u00e9 permettant plusieurs centaines de r\u00e9flexions lumineuses successives, on peut, par exemple, obtenir des longueurs \u00e9quivalentes de 150\u00a0kilom\u00e8tres pour une distance r\u00e9elle entre miroirs de 3\u00a0kilom\u00e8tres.<\/p>\n

\"Les
Les tunnels abritant les tubes sous vide dans lesquels transitent les faisceaux laser mesurent 3 kilom\u00e8tres de long pour 1,2 m\u00e8tre de diam\u00e8tre.<\/figcaption><\/figure>\n

Malgr\u00e9 ces difficult\u00e9s technologiques plut\u00f4t d\u00e9courageantes, le d\u00e9fi de la d\u00e9tection de la lumi\u00e8re gravitationnelle a \u00e9t\u00e9 relev\u00e9 en ce d\u00e9but de XXIe<\/sup>\u00a0si\u00e8cle. Le co\u00fbt financier mis en jeu reste inf\u00e9rieur \u00e0 celui d\u2019un seul avion, du lancement d\u2019un satellite\u2026 ou d\u2019une demi-heure de guerre en Irak. Mais l\u2019astronomie gravitationnelle est le cadet des soucis des d\u00e9cideurs politiques et financiers. Il a donc fallu beaucoup de pers\u00e9v\u00e9rance de la part des scientifiques pour convaincre les organismes payeurs. Les projets des interf\u00e9rom\u00e8tres g\u00e9ants (c’est-\u00e0-dire de taille kilom\u00e9trique) LIGO aux \u00c9tats-Unis (deux interf\u00e9rom\u00e8tres de 4\u00a0km, l\u2019un dans l\u2019\u00c9tat de Washington, l\u2019autre en Louisiane) et VIRGO en Italie (projet franco-italien, le nom faisant allusion \u00e0 l\u2019amas de galaxies de la Vierge, la cible principale) ont d\u00e9marr\u00e9 en 1989\u00a0; ils ont \u00e9t\u00e9 approuv\u00e9s en 1993, la construction a commenc\u00e9 en 1996 et les dispositifs ont \u00e9t\u00e9 achev\u00e9s en 2001. Apr\u00e8s les phases de test, LIGO est parvenu \u00e0 la sensibilit\u00e9 vis\u00e9e en 2005, et VIRGO en 2006.<\/p>\n

La mesure simultan\u00e9e du passage d\u2019une onde gravitationnelle par trois d\u00e9tecteurs donne la position de la source dans le ciel, et la distance de la galaxie o\u00f9 l\u2019\u00e9v\u00e9nement a eu lieu. Une fen\u00eatre magique venait de s\u2019ouvrir pour contempler un Univers encore inconnu\u2026<\/p>\n

VIRGO et LIGO sont sensibles \u00e0 des ondes gravitationnelles d\u2019amplitude sup\u00e9rieure \u00e0 10\u201321<\/sup> et de fr\u00e9quence comprise entre 10 et 1\u00a0000\u00a0hertz. Pour les fr\u00e9quences inf\u00e9rieures, le bruit sismique (vibrations de l\u2019\u00e9corce terrestre) occulte toute mesure. Cette premi\u00e8re g\u00e9n\u00e9ration de d\u00e9tecteurs interf\u00e9rom\u00e9triques ne peut donc au mieux percevoir que les effondrements gravitationnels situ\u00e9s \u00e0 moins de 100\u00a0000\u00a0ann\u00e9es-lumi\u00e8re, c\u2019est-\u00e0-dire dans notre propre galaxie\u00a0; or, on estime qu\u2019un tel effondrement survient seulement tous les cinquante ans en moyenne. En revanche, ils sont potentiellement capables de d\u00e9tecter des coalescences d\u2019\u00e9toiles \u00e0 neutrons binaires \u00e0 une distance sup\u00e9rieure \u00e0 30\u00a0millions d\u2019ann\u00e9es-lumi\u00e8re\u00a0; pour les trous noirs binaires de masse stellaire, ils pourraient\u00a0 \u00eatre d\u00e9tect\u00e9s deux fois plus loin, jusqu\u2019\u00e0 l\u2019amas de la Vierge.<\/p>\n

\"Une
Une vie a\u00e9rienne de l’interf\u00e9rom\u00e8tre LIGO<\/figcaption><\/figure>\n

\u00a0Toutefois, les op\u00e9rations initiales de LIGO et VIRGO entre 2002 et\u00a0 2010 n’ont d\u00e9tect\u00e9 aucune onde gravitationnelle, \u00e0 cause d’un manque de sensibilit\u00e9. Il s’en est suivi une interruption de service de quelques ann\u00e9es\u00a0 pour remplacer les d\u00e9tecteurs de LIGO par des versions nettement am\u00e9lior\u00e9es, baptis\u00e9es “Advanced LIGO<\/a>“. En f\u00e9vrier 2015, les deux d\u00e9tecteurs avanc\u00e9s de LIGO sont devenus techniquement op\u00e9rationnels, et les premi\u00e8res observations scientifiques ont commenc\u00e9 en septembre 2015, \u00e0 une sensibilit\u00e9 quatre fois sup\u00e9rieure \u00e0 celle de la version originale. La version avanc\u00e9e de\u00a0 VIRGO est quant \u00e0 elle pr\u00e9vue pour le printemps 2016.<\/p>\n

Billet suivant:\u00a0 L’\u00e9v\u00e9nement GW150914<\/a>
\n<\/strong><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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De m\u00eame que les ondes \u00e9lectromagn\u00e9tiques font vibrer une antenne r\u00e9ceptrice, les ondes gravitationnelles font vibrer d\u2019une certaine … Continuer la lecture de La “lumi\u00e8re” gravitationnelle (2\/4) : de la barre \u00e0 l’interf\u00e9rom\u00e8tre<\/span> →<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":2102,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":"","_links_to":"","_links_to_target":""},"categories":[15,58,4],"tags":[263,207,264,261,138,122,265],"class_list":["post-2100","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-actualites","category-astronomie","category-sciences","tag-coalescence","tag-einstein","tag-ligo","tag-ondes-gravitationnelles","tag-relativite-generale","tag-trou-noir","tag-virgo"],"yoast_head":"\nLa "lumi\u00e8re" gravitationnelle (2\/4) : de la barre \u00e0 l'interf\u00e9rom\u00e8tre, par Jean-Pierre Luminet<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/blogs.futura-sciences.com\/luminet\/2016\/02\/10\/la-lumiere-gravitationnelle-22\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"fr_FR\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"La "lumi\u00e8re" gravitationnelle (2\/4) : de la barre \u00e0 l'interf\u00e9rom\u00e8tre, par Jean-Pierre Luminet\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"Suite du billet pr\u00e9c\u00e9dent\u00a0 Principes de base Nouvelles lucarnes Un mot un seul mot suffit \u00e0 perturber l’espace Jean-Marc Debenedetti Pour capter la lumi\u00e8re, il faut des t\u00e9lescopes. 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