Une équipe internationale de physiciens a créé un petit capteur de mouvement basé sur un interféromètre qui pourrait être utilisé pour améliorer les performances des détecteurs d'ondes gravitationnelles. L'appareil de taille centimétrique peut mesurer le déplacement des masses d'essai avec une précision inférieure au picomètre à basses fréquences. Les chercheurs pensent que leurs innovations techniques pourraient ouvrir de nouvelles opportunités dans la détection des ondes gravitationnelles, permettant ainsi aux astronomes d’observer des événements jusqu’ici restés masqués par le bruit. Il pourrait également être utilisé dans d’autres domaines, notamment la sismologie et la métrologie.
Les observatoires LIGO et Virgo sont des interféromètres kilométriques qui détectent les ondes gravitationnelles en surveillant la position de grands miroirs, qui subissent des déplacements exceptionnellement minimes lorsqu'une onde gravitationnelle traverse la Terre. Jusqu’à présent, ils ont capté des dizaines de signaux d’ondes gravitationnelles – provenant en grande partie de la fusion de paires de trous noirs de masse stellaire. Forts de ce premier succès, les astronomes espèrent désormais détecter les ondes gravitationnelles de basse fréquence générées par la fusion de trous noirs de masse intermédiaire beaucoup plus grands, qui représentent des centaines, voire des milliers de fois la masse du Soleil.
Malheureusement, les bruits sismiques et autres empêchent actuellement LIGO et Virgo d'atteindre la sensibilité requise pour mesurer ces signaux basse fréquence. L'effet de ce bruit peut être contrôlé dans une certaine mesure en surveillant et en amortissant les mouvements qu'il provoque dans les miroirs et autres composants des observatoires.
Composants commerciaux
Maintenant, Jiri Smetana à l'Université de Birmingham et ses collègues ont utilisé des composants optiques disponibles dans le commerce pour créer un détecteur de déplacement qui, selon eux, est adapté à ces systèmes de suppression du bruit.
Le capteur comprend deux interféromètres de Michelson pilotés par un seul laser. Chaque interféromètre comprend une tête de détection et un miroir. L'une des têtes de détection fait partie d'une boucle de rétroaction qui stabilise la fréquence du laser, améliorant ainsi les performances du système.
La compression quantique améliore les performances des détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo
L’équipe a utilisé une technique appelée modulation de fréquence profonde pour calculer le déplacement des miroirs à partir des franges mesurées de l’interféromètre. Cette technique permet de détecter de minuscules mouvements sur une large gamme de fréquences. En effet, le système avait une sensibilité de 0.3 pm/√Hz à une fréquence de 1 Hz et est 300 fois meilleur qu'un type de capteur actuellement utilisé dans LIGO.
Le capteur ne mesure que quelques centimètres, ce qui en fait un candidat approprié pour les futures mises à niveau des détecteurs d’ondes gravitationnelles existants – mises à niveau qui pourraient être mises en œuvre avec un impact minimal sur leur infrastructure existante.
Avec ces améliorations en place, les chercheurs suggèrent que les astronomes pourraient être en mesure de détecter pour la première fois des fusions entre des trous noirs de masse intermédiaire. Avoir la capacité de mesurer des signaux à basse fréquence serait également utile pour l’astronomie multi-messagers, permettant de détecter les signaux plus longtemps avant les événements de fusion. Le capteur pourrait également être utilisé dans d’autres instruments détectant de minuscules déplacements, tels que les balances de torsion et les sismomètres.
La recherche est décrite dans Examen physique appliqué.
