Une vue de l'un des détecteurs d'ondes gravitationnelles de la collaboration Ligo. Il se trouve à Hanford aux États-Unis, dans l'État de Washington. © Caltech, MIT, Ligo Lab

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Ligo

DéfinitionClassé sous :physique , onde gravitationnelle , LIGO

Ligo, acronyme de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory en anglais, désigne un interféromètre géant existant en deux exemplaires aux États-Unis. L'un est situé à Livingston (Louisiane) et l'autre à Hanford (Washington).

Son but est la détection et l'étude des ondes gravitationnelles émises par des évènements astrophysiques violents comme l'effondrement de supernovae ou la coalescence d'étoiles à neutrons ou de trous noirs stellaires contenant tout au plus une centaine de masses solaires. Une machine équivalente, baptisée Virgo, existe en Europe, près de Pise, en Italie.

Advanced Ligo et la détection des ondes gravitationnelles

Mise en service au cours des années 2000, une version à la sensibilité améliorée, Advanced Ligo, a finalement permis de mettre en évidence directement une onde gravitationnelle provenant de la collision accompagnée d'une fusion de deux trous noirs.

L'évènement, baptisé GW150914, pour onde gravitationnelle (gravitational wave en anglais), a été mesuré le 14 septembre 2015 et provenait d'une région de l'univers distante de la Voie lactée d'environ 1,3 milliard d'années-lumière.

Le physicien Rainer Weiss a été le premier aux États-Unis à prendre au sérieux l'idée de détecter des ondes gravitationnelles avec un interféromètre utilisant un laser. Ses travaux sur le sujet n'ont pas été pris au sérieux pendant des années par le grand physicien relativiste Kip Thorne, du Caltech. Ce dernier a fini par changer d'avis et a cofondé Ligo en 1992 en compagnie de Rainer Weiss et Ronald Drever, du Massachusetts Institute of Technology (MIT), les concepteurs principaux de l'appareil. Plusieurs membres de Ligo évoquent la chasse aux ondes gravitationnelles dans cette vidéo. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © Science Bulletins

Des ondes pour percer les mystères des astres compacts

C'est Albert Einstein qui prédit dès les années 1916 à 1918 qu'il devait exister des déformations de la courbure de l'espace-temps se propageant comme des ondes dans le cadre de sa théorie de la relativité générale.

En 1974, la découverte d'un pulsar binaire par Hulse et Taylor a d'ailleurs permis de démontrer indirectement pour la première fois l'existence de ces ondes. Cependant, les astrophysiciens relativistes voudraient surtout observer et mesurer directement ces ondes plus facilement. Elles nous donneraient des renseignements précieux sur la physique des étoiles à neutrons, la théorie des trous noirs et même la cosmologie primordiale.

De la même façon que le spectre de lumière des étoiles et la variation de leurs courbes de luminosité nous permettent de faire l'analyse chimique de leur atmosphère et de sonder leur intérieur avec l'astérosismologie, l'analyse du signal gravitationnel émis par des collisions d'étoiles à neutrons et de trous noirs devrait être bavarde sur les propriétés des astres compacts.

Malheureusement, si les ondes gravitationnelles sont très pénétrantes, elles sont aussi d'une très faible intensité. Sauf quand elles sont émises par des objets très massifs et très denses. Même lorsqu'il s'agit de la collision de deux étoiles à neutrons, dont les masses individuelles sont égales à celle de Chandrasekhar, leur détection reste un défi lorsque l'on se trouve à des millions d'années-lumière de ces sources particulièrement intenses.

Or, ce sont précisément ces sources que l'on peut espérer détecter car de tels évènements, des collisions d'étoiles à neutrons ou de trous noirs binaires, sont rares à l'échelle des galaxies. Il faut donc pouvoir être sensible à des signaux émis à des centaines de millions d'années-lumière pour espérer observer plusieurs de ces évènements chaque année.

Le super amas de la Vierge (Virgo supercluster, en anglais), au centre de l'image, est le super amas de galaxies qui contient notre Voie lactée et l'amas de galaxie de la Vierge. Son diamètre est d'environ 110 millions d'années-lumière. C'est dans cette zone que Ligo et Virgo étaient initialement en mesure de détecter des sources d'ondes gravitationnelles. Advanced Ligo sondera à terme un volume bien plus grand comme on peut s'en rendre compte sur ce schéma. © Grullon, Science

Ligo et Virgo, d'incroyables interféromètres

Le taux exact de ces catastrophes cosmiques étant difficile à évaluer, les estimations les plus optimistes permettaient de penser que les premières versions des machines que sont Ligo et Virgo pouvaient permettre d'ouvrir l'ère de l'astronomie gravitationnelle.

Rappelons que ces télescopes d'un genre particulier sont des interféromètres géants utilisant des faisceaux laser.

Des distances mille fois plus petites qu'un noyau d'atome

En effet, lorsqu'une onde gravitationnelle issue d'une collision d'astres compacts atteint l'instrument, elle en fait varier la longueur d'environ 10-18 mètre, c'est-à-dire un millième de la taille d'un noyau d'atome. Mesurer un tel déplacement revient à mesurer la taille de la Galaxie avec une précision de 3 centimètres. Il faut donc avoir recours à une métrologie de très haute précision pour détecter cette infime variation. Les lasers s'imposent pour atteindre ce but.

Fonctionnement de Ligo : des faisceaux laser

Le principe de cette détection, expliqué dans la vidéo ci-dessus, est simple même si celle-ci reste très difficile à mettre en pratique. Le physicien et spécialiste des lasers états-uniens Rainer Weiss a été l'un des premiers à en avoir l'idée lorsqu'il était professeur de relativité générale au MIT en 1972. Comme ce fut souvent le cas, des chercheurs russes (M.E. Gertsenshtein et V.I. Pustovoit en 1962) avaient eu une idée similaire des années auparavant mais le rideau de fer avait empêché leurs travaux d'être connus à l'Ouest.

Un faisceau laser est séparé en deux, chacun parcourant alors plusieurs kilomètres dans des tubes sous vide perpendiculaires entre eux. Tombant sur des miroirs, ces faisceaux sont réfléchis et font le chemin inverse pour former des interférences. Au passage d'une onde gravitationnelle, les longueurs parcourues par les deux faisceaux laser ne sont plus les mêmes et le phénomène d'interférence en est modifié.

Il existe malheureusement de nombreuses sources de bruits, en particulier le bruit sismique, qui affectent les mesures à différentes fréquences et qui peuvent simuler le passage d'une telle onde. Pour le bruit sismique, la parade consiste à disposer de plusieurs détecteurs éloignés les uns des autres, ce qui permet d'isoler dans le signal observé la partie provenant de l'activité de la Terre.

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