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Mieux détecter les ondes gravitationnelles grâce aux horloges atomiques

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Deux horloges atomiques, installées dans l'espace, pourraient compléter efficacement les deux instruments terrestres, Ligo et Virgo, et le futur interféromètre spatial eLisa. Cette astuce, qui ne s'appuie pas sur l'effet relativiste d'une onde gravitationnelle sur l'écoulement du temps, apporterait une sensibilité dans une gamme de fréquences intermédiaire, autrement inaccessible.

Les ondes gravitationnelles sont une des clés de l'astrophysique. Leur détection directe début février n'aurait pas été possible sans l'instrument Ligo. Ici, une illustration d'ondes gravitationnelles générées par un couple d'étoiles à neutrons. © R. Hurt, Caltech-JPL

La physique quantique fut dès ses débuts une clé pour déchiffrer les arcanes de l'infiniment grand, notamment grâce à la théorie des raies apparaissant dans les atmosphères stellaires et à celle des réactions thermonucléaires, sans oublier la fameuse raie à 21 cm. Dans le domaine expérimental, les instruments et les techniques reposant sur la mécanique quantique ont permis d'explorer le monde des étoiles, des galaxies et maintenant des trous noirs. Le laser des interféromètres terrestres Ligo et Virgo, ainsi que du futur eLisa, en est un bon exemple. Il a permis à la fin de l'année 2015 de détecter directement sur Terre pour la première fois les ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs.

Une équipe de chercheurs américains vient de proposer d'envoyer dans l'espace un nouveau type de détecteur d'ondes gravitationnelles, lui aussi basé sur la physique quantique et le laser. Comme les physiciens l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, la technique repose sur deux horloges atomiques " à réseau optique ", connectées par deux faisceaux laser. Un tel détecteur pourrait devenir complémentaire des interféromètres terrestres et de celui d'eLisa, dans l'espace, en permettant d'étudier une gamme de fréquences intermédiaire entre celles auxquelles sont sensibles ces instruments.

Depuis 1967, la seconde est définie à partir de la fréquence de résonance d'une transition énergétique micro-onde très stable de l'atome de césium (9,2 GHz). Mais on peut aussi utiliser des atomes dans un piège de lumière, dit

Depuis 1967, la seconde est définie à partir de la fréquence de résonance d'une transition énergétique micro-onde très stable de l'atome de césium (9,2 GHz). Mais on peut aussi utiliser des atomes dans un piège de lumière, dit " réseau optique ". L'équipe de Jérôme Lodewyck et Rodolphe Le Targat, du laboratoire Systèmes de référence temps-espace (Syrte, Observatoire de Paris, CNRS, LNE, UPMC), a construit deux horloges à réseau optique fonctionnant avec des atomes de strontium. © Observatoire de Paris, Syrte

Des horloges atomiques seront-elles embarquées sur eLisa ?

En effet, eLisa, qui devrait devenir opérationnel au cours des années 2030, permet surtout d'observer une bande de fréquences assez basses, entre 0,03 et 100 mHz. Elle correspond à des trous noirs supermassifs formant des systèmes binaires sur le point de fusionner mais séparés par une distance importante, de sorte que les périodes des orbites sont longues et les mouvements lents. L'émission d'ondes gravitationnelles avant le plongeon des deux astres, et même au cours de leur fusion, est en revanche particulièrement puissante, si bien qu'eLisa devrait la détecter, peut-être même des années avant que la collision ne survienne. Le phénomène devient alors indétectable par Ligo et Virgo, qui n'observent efficacement que dans une bande de fréquences plus haute, grosso modo entre 10 Hz et 10 kHz, ce qui correspond aussi à des événements moins lumineux, comme des fusions de trous noirs stellaires ou d'étoiles à neutrons. Entre la gamme de fréquences d'eLisa et celle de Ligo et Virgo, il existe donc une bande inaccessible ou presque. Elle pourrait être explorée entre 1 et 10 Hz, affirment aujourd'hui Shimon Kolkowitz et Jun Ye du Jila (Colorado), en compagnie de Mikhail Lukin et leurs collègues de l'université d'Harvard.

Il faudrait pour cela installer dans l'espace deux horloges atomiques à réseau optique. Elles sont constituées d'atomes refroidis et piégés par laser, formant l'équivalent d'un réseau cristallin sur une ligne. En mesurant finement des transitions atomiques, il est possible d'obtenir de cette manière des mesures de temps précises et stables. Les deux horloges seraient initialement synchrones et éloignées l'une de l'autre, pourquoi pas à bord des modules d'eLisa, donc à une distance de l'ordre du million de kilomètres.

Les modules échangeraient entre eux des faisceaux laser, à une même fréquence, de sorte que si la distance entre les deux horloges est modifiée par le passage d'une onde gravitationnelle, un décalage Doppler des rayons laser serait détectable. On ne mesurerait donc pas un effet relativiste sur l'écoulement du temps subi par les horloges mais, comme avec les interféromètres, une variation périodique de la distance spatiale entre les horloges.

Selon les chercheurs, un tel détecteur permettrait d'étudier ce qui se passe lorsque la fréquence des ondes gravitationnelles émises par deux trous noirs supermassifs qui vont fusionner est en train d'évoluer et que, d'abord détectable par eLisa, elle augmente pour atteindre la bande où, sur Terre, eLigo et Virgo pourraient les détecter.

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