Le détecteur d'ondes gravitationnelles LIGO est enfin de retour en ligne avec des mises à jour passionnantes pour le rendre beaucoup plus sensible

Après une interruption de trois ans, des scientifiques américains viennent d'allumer des détecteurs capables de mesurer les ondes gravitationnelles— de minuscules ondulations dans espace eux-mêmes qui voyagent à travers l'univers.

Contrairement aux ondes lumineuses, les ondes gravitationnelles sont presque sans être gêné par les galaxies, les étoiles, le gaz et la poussière qui remplissent l'univers. Cela signifie qu'en mesurant les ondes gravitationnelles, les astrophysiciens comme moi peut jeter un coup d'œil directement au cœur de certains des phénomènes les plus spectaculaires de l'univers.

Depuis 2020, le Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory, communément appelé LIGO– est resté inactif pendant qu'il subissait des améliorations passionnantes. Ces améliorations permettront augmenter considérablement la sensibilité de LIGO et devrait permettre à l'installation d'observer des objets plus éloignés qui produisent de plus petites ondulations dans espace-temps.

En détectant davantage d'événements qui créent des ondes gravitationnelles, les astronomes auront plus d'opportunités d'observer également la lumière produite par ces mêmes événements. Voir un événement à travers de multiples canaux d'information, une approche appelée astronomie multi-messagers, fournit aux astronomes opportunités rares et convoitées pour en savoir plus sur la physique bien au-delà du domaine des tests en laboratoire.

Ondulations dans l'espace-temps

Selon La théorie de la relativité générale d'Einstein, la masse et l'énergie déforment la forme de l'espace et du temps. La courbure de l'espace-temps détermine la façon dont les objets se déplacent les uns par rapport aux autres, ce que les gens ressentent comme étant la gravité.

Les ondes gravitationnelles sont créées lorsque des objets massifs comme les trous noirs ou les étoiles à neutrons fusionnent les uns avec les autres, produisant des changements soudains et importants dans l'espace. Le processus de déformation et de flexion de l'espace envoie des ondulations à travers l'univers comme un vague à travers un étang immobile. Ces ondes se déplacent dans toutes les directions à partir d'une perturbation, déformant minutieusement l'espace et modifiant très légèrement la distance entre les objets sur leur chemin.

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Même si les événements astronomiques qui produisent des ondes gravitationnelles impliquent certains des objets les plus massifs de l'univers, l'étirement et la contraction de l'espace sont infiniment petits. Une forte onde gravitationnelle traversant la Voie lactée ne peut modifier le diamètre de la galaxie entière que de trois pieds (un mètre).

Les premières observations d'ondes gravitationnelles

Bien qu'Einstein l'ait prédit pour la première fois en 1916, les scientifiques de cette époque avaient peu d'espoir de mesurer les minuscules changements de distance postulés par la théorie des ondes gravitationnelles.

Vers l'an 2000, des scientifiques de Caltech, du Massachusetts Institute of Technology et d'autres universités du monde entier ont fini de construire ce qui est essentiellement la règle la plus précise jamais construite.LIGO.

LIGO est composé de deux observatoires distincts, l'un situé à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, Louisiane. Chaque observatoire a la forme d'un L géant avec deux bras de 2.5 milles de long (quatre kilomètres de long) s'étendant du centre de l'installation à 90 degrés l'un par rapport à l'autre.

Pour mesurer les ondes gravitationnelles, les chercheurs font briller un laser du centre de l'installation à la base du L. Là, le laser est divisé de sorte qu'un faisceau se déplace le long de chaque bras, se reflète sur un miroir et revient à la base. Si une onde gravitationnelle traverse les bras pendant que le laser brille, les deux faisceaux reviendront au centre à des moments très légèrement différents. En mesurant cette différence, les physiciens peuvent discerner qu'une onde gravitationnelle a traversé l'installation.

LIGO a commencé à fonctionner au début des années 2000, mais il n'était pas assez sensible pour détecter les ondes gravitationnelles. Ainsi, en 2010, l'équipe LIGO a temporairement fermé l'installation pour effectuer mises à niveau pour augmenter la sensibilité. La version améliorée de LIGO a commencé collecte de données en 2015 et presque immédiatement ondes gravitationnelles détectées produit de la fusion de deux trous noirs.

Depuis 2015, LIGO a réalisé trois parcours d'observation. Le premier, le run O1, a duré environ quatre mois ; le second, O2, environ neuf mois ; et le troisième, O3, a fonctionné pendant 11 mois avant que la pandémie de COVID-19 n'oblige les installations à fermer. À partir de la course O2, LIGO a observé conjointement avec un Observatoire italien appelé Virgo.

Entre chaque passage, les scientifiques ont amélioré les composants physiques des détecteurs et les méthodes d'analyse des données. À la fin de l'exécution O3 en mars 2020, les chercheurs de la collaboration LIGO et Virgo avaient détecté environ 90 ondes gravitationnelles de la fusion des trous noirs et des étoiles à neutrons.

Les observatoires ont encore pas encore atteint leur sensibilité de conception maximale. Ainsi, en 2020, les deux observatoires seront fermés pour des mises à niveau encore.

Faire quelques mises à jour

Les scientifiques ont travaillé sur de nombreuses améliorations technologiques.

Une mise à niveau particulièrement prometteuse consistait à ajouter un 1,000 300 pieds (XNUMX mètres) cavité optique pour améliorer un technique appelée compression. La compression permet aux scientifiques de réduire le bruit du détecteur en utilisant les propriétés quantiques de la lumière. Avec cette mise à niveau, l'équipe LIGO devrait être en mesure de détecter des ondes gravitationnelles beaucoup plus faibles qu'auparavant.

Mes coéquipiers et moi sont des scientifiques de données dans la collaboration LIGO, et nous avons travaillé sur un certain nombre de mises à niveau différentes pour logiciel utilisé pour traiter les données LIGO et les algorithmes qui reconnaissent signes d'ondes gravitationnelles dans ces données. Ces algorithmes fonctionnent en recherchant des modèles qui correspondent modèles théoriques de millions d'éventuelles fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons. L'algorithme amélioré devrait être capable de détecter plus facilement les faibles signes d'ondes gravitationnelles à partir du bruit de fond dans les données que les versions précédentes des algorithmes.

Une ère d'astronomie haute définition

Début mai 2023, LIGO a lancé un court test, appelé cycle d'ingénierie, pour s'assurer que tout fonctionnait. Le 18 mai, LIGO a détecté des ondes gravitationnelles susceptibles produit à partir d'une étoile à neutrons fusionnant dans un trou noir.

L'observation de 20 mois de LIGO 04 officiellement commencé le 24 mai, et il sera plus tard rejoint par Virgo et un nouvel observatoire japonais, le Kamioka Gravitational Wave Detector, ou KAGRA.

Bien que cette course ait de nombreux objectifs scientifiques, un accent particulier est mis sur la détection et la localisation des ondes gravitationnelles en temps réel. Si l'équipe peut identifier un événement d'onde gravitationnelle, déterminer d'où proviennent les ondes et alerter rapidement les autres astronomes de ces découvertes, cela permettrait aux astronomes de pointer d'autres télescopes qui collectent la lumière visible, les ondes radio ou d'autres types de données à la source. de l'onde gravitationnelle. Collecter plusieurs canaux d'informations sur un seul événement—astrophysique multi-messagers- revient à ajouter de la couleur et du son à un film muet en noir et blanc et peut fournir une compréhension beaucoup plus approfondie des phénomènes astrophysiques.

Les astronomes n'ont observé qu'un seul événement dans les ondes gravitationnelles et la lumière visible à ce jour — la fusion de deux étoiles à neutrons vues en 2017. Mais à partir de cet événement unique, les physiciens ont pu étudier la expansion de l'univers et confirmer l'origine de certains des les événements les plus énergétiques de l'univers connue sous le nom sursauts gamma.

Avec la course O4, les astronomes auront accès aux observatoires d'ondes gravitationnelles les plus sensibles de l'histoire et, espérons-le, collecteront plus de données que jamais auparavant. Mes collègues et moi espérons que les mois à venir déboucheront sur une ou peut-être plusieurs observations multi-messagers qui repousseront les limites de l'astrophysique moderne.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

Crédit d'image : Centre de vol spatial Goddard de la NASA/Scott Noble ; données de simulation, d'Ascoli et al. 2018

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• La source: https://singularityhub.com/2023/05/28/gravitational-wave-detector-ligo-is-finally-back-online-with-exciting-upgrades-to-make-it-way-more-sensitive/