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L’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO): détection des ondulations dans l’espace-temps

Le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) est une paire d’énormes installations de recherche aux États-Unis dédiées à la détection des ondulations dans le tissu de l’espace-temps connu sous le nom de ondes gravitationnelles. Ces signaux proviennent d’objets massifs dans l’univers, tels que trous noirs et étoiles à neutronset offrir aux astronomes une toute nouvelle fenêtre pour observer les phénomènes cosmiques.

Les mécanismes sous-jacents du LIGO reposent sur les travaux du célèbre physicien Albert Einstein, qui dans son théorie de la relativité prédit l’existence d’ondes gravitationnelles, analogues aux ondes électromagnétiques, il y a plus d’un siècle. Einstein pensait que ces ondes étaient trop faibles pour être jamais détectées de manière réalisable, selon un historique du projet de la Institut de technologie de Californie (Caltech) à Pasadena.

Comment LIGO a détecté les ondes gravitationnelles

À partir des années 60 et 70, les chercheurs ont construit des prototypes de détecteurs d’ondes gravitationnelles à l’aide de miroirs suspendus qui faisaient rebondir un laser entre eux. Si une onde gravitationnelle traversait l’appareil, elle agiterait le tissu de l’espace-temps et ferait bouger les miroirs très légèrement. Cet appareil, connu sous le nom d’interféromètre, est toujours l’unité de base à l’intérieur détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Bien que ces premiers modèles n’aient pas eu la sensibilité nécessaire pour capturer un signal d’onde gravitationnelle, les progrès se sont poursuivis pendant plusieurs décennies et, en 1990, la National Science Foundation a approuvé l’assemblage de deux détecteurs LIGO; un à Hanford, Washington et un autre à Livingston, Louisiane.

La construction des deux détecteurs s’est achevée en 1999 et la recherche d’ondes gravitationnelles a commencé quelques années plus tard. Pendant plus d’une décennie, les détecteurs ont continué à se vider, alors que les physiciens apprenaient à manipuler les instruments hautement sensibles et tout ce qui pouvait mal tourner. Un certain nombre de choses peuvent gâcher les installations, y compris quelque chose d’aussi trivial que corbeaux picorant sur les tuyaux menant en eux.

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Le projet LIGO exploite deux sites de détection: un près de Hanford dans l’est de Washington et un autre près de Livingston, en Louisiane (illustré ici). (Crédit d’image: LIGO Collaboration)

LIGO a été entièrement repensé pour une plus grande sensibilité entre 2010 et 2014. Le travail acharné a porté ses fruits. Quelques jours après la mise sous tension des instruments en septembre 2015, l’observatoire a commencé à capter la signature de ses premières ondes gravitationnelles, selon une page d’information LIGO de Caltech.

Ce signal historique a été gardé secret pendant des mois alors que les scientifiques s’efforçaient de comprendre ses détails. Le 11 février 2016, la découverte a été rendue publique, les physiciens annonçant qu’ils avaient détecté la collision de deux trous noirs 29 et 36 fois plus massifs que le soleil, respectivement, survenue il y a près de 1,3 milliard d’années.

Les résultats ont été accueillis avec joie par la communauté des physiciens et ont reçu une large attention dans les médias. L’observation a non seulement confirmé la prédiction centenaire d’Einstein, mais a également fourni aux chercheurs une toute nouvelle façon de scruter l’univers. Un an plus tard, les astrophysiciens Kip Thorne et Barry Barish de Caltech, et Rainer Weiss du MIT ont partagé le prix Nobel de physique pour leurs travaux pionniers sur la détection des ondes gravitationnelles.

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La collaboration LIGO comprend actuellement les deux détecteurs basés aux États-Unis ainsi qu’un troisième instrument mis en ligne en 2017, appelé Virgo. Il est situé près de Pise, en Italie, et est géré par un groupe européen. Chaque installation comprend une chambre à vide en forme de L avec des jambes de 4 kilomètres de long contenant un interféromètre. Les lasers des détecteurs peuvent discerner les mouvements entre leurs miroirs avec une précision ahurissante de 1/10 000e de la largeur d’un proton.

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Travaillant en tandem, les trois installations aident à confirmer que tout signal capté par une installation est une véritable détection d’onde gravitationnelle et non un bruit aléatoire. Les chercheurs ont créé certains des endroits les plus silencieux au monde autour des détecteurs d’ondes gravitationnelles, ralentissant le trafic à proximité, surveillant chaque minuscule tremblement dans le sol et même suspendant l’équipement de détection à un système de pendule qui minimise les vibrations.

Les autres plus grands succès de LIGO

Certains des résultats les plus spectaculaires de LIGO et Virgo incluent la première détection de deux étoiles à neutrons – cadavres stellaires extrêmement denses – s’écraser les uns sur les autres. La découverte, annoncée en octobre 2017, était accompagnée d’observations du même événement à l’aide de télescopes radio, infrarouge, optique, gamma et à rayons X, permettant aux scientifiques de tirer des informations de plusieurs canaux – une entreprise connue sous le nom d’astrophysique multi-messagers. Les données ont aidé à prouver que ces collisions sont à l’origine d’une grande partie de l’or, du platine et d’autres éléments lourds de l’univers.

En janvier 2020, LIGO a détecté un deuxième smashup d’étoile à neutrons cela impliquait des objets colossaux avec une masse combinée 3,4 fois celle du soleil. Des étoiles à neutrons aussi lourdes n’ont jamais été vues auparavant dans des télescopes et repoussent la limite de taille de ce qui devrait théoriquement être possible pour de telles entités, laissant les scientifiques se gratter la tête sur la façon dont ces étoiles auraient pu être créées.

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Plus tard dans l’année, les chercheurs ont annoncé que LIGO et Virgo avaient détecté le signal de fusion de deux trous noirs géants. Les entités, qui avaient respectivement des masses 66 et 85 fois celle du soleil, formaient un seul trou noir avec une masse totale de 142 fois le soleil. Ce fut la première preuve sans ambiguïté de ce que l’on appelle les trous noirs de masse intermédiaire, pesant entre 50 et 100 000 fois le soleil, que les scientifiques savaient qu’il devait exister mais n’avaient jamais vu auparavant.

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En 2020, LIGO et Virgo étaient rejoint par un instrument japonais a appelé le détecteur d’ondes gravitationnelles Kamioka (KAGRA), bien que toutes les installations aient dû être temporairement fermées en raison de la pandémie mondiale de COVID-19. Un détecteur indien devrait rejoindre le réseau au milieu des années 2020. Grâce à ces installations supplémentaires et aux mises à niveau des installations actuelles, les physiciens pourront observer les ondes gravitationnelles de plus loin et avec une plus grande fréquence, ce qui leur permettra de faire encore plus de découvertes à l’avenir.

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