Un minuscule dispositif à cristal pourrait booster les détecteurs d’ondes gravitationnelles pour révéler les cris de naissance des trous noirs

Cet article a été initialement publié sur La conversation. La publication a contribué à l’article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: Op-Ed & Insights.

David Blair, Professeur émérite, ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery, OzGrav, University of Western Australia

En 2017, des astronomes ont assisté pour la première fois à la naissance d’un trou noir. Les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont capté les ondulations dans l’espace-temps causées par la collision de deux étoiles à neutrons pour former le trou noir, et d’autres télescopes ont ensuite observé l’explosion résultante.

Mais le vrai détail de la façon dont le trou noir s’est formé, les mouvements de la matière dans les instants avant qu’il ne soit scellé à l’intérieur de l’horizon des événements du trou noir, sont restés inaperçus. C’est parce que les ondes gravitationnelles rejetées dans ces derniers instants avaient une fréquence si élevée que nos détecteurs actuels ne peuvent pas les capter.

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Si vous pouviez observer la matière ordinaire qui se transforme en trou noir, vous verriez quelque chose de similaire au Big Bang joué à l’envers. Les scientifiques qui conçoivent des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont travaillé d’arrache-pied pour comprendre comment améliorer nos détecteurs pour que cela soit possible.

Aujourd’hui, notre équipe publie un article qui montre comment cela peut être fait. Notre proposition pourrait rendre les détecteurs 40 fois plus sensibles aux hautes fréquences dont nous avons besoin, permettant aux astronomes d’écouter la matière lorsqu’elle forme un trou noir.

Il s’agit de créer d’étranges nouveaux paquets d’énergie (ou «quanta») qui sont un mélange de deux types de vibrations quantiques. Des dispositifs basés sur cette technologie pourraient être ajoutés aux détecteurs d’ondes gravitationnelles existants pour gagner la sensibilité supplémentaire nécessaire.

Problèmes quantiques

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles comme le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) aux États-Unis utilisent des lasers pour mesurer des changements incroyablement petits dans la distance entre deux miroirs. Parce qu’ils mesurent des changements 1000 fois plus petits que la taille d’un seul proton, les effets de la mécanique quantique – la physique des particules individuelles ou les quanta d’énergie – jouent un rôle important dans le fonctionnement de ces détecteurs.

Deux types différents de paquets d’énergie quantique sont impliqués, tous deux prédits par Albert Einstein. En 1905, il a prédit que la lumière vient en paquets d’énergie que nous appelons photons; deux ans plus tard, il a prédit que la chaleur et l’énergie sonore viennent en paquets d’énergie appelés phonons.

Les photons sont largement utilisés dans la technologie moderne, mais les phonons sont beaucoup plus difficiles à exploiter. Les phonons individuels sont généralement submergés par un grand nombre de phonons aléatoires qui sont la chaleur de leur environnement. Dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles, les phonons rebondissent à l’intérieur des miroirs du détecteur, dégradant leur sensibilité.

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Il y a cinq ans, les physiciens ont réalisé que vous pouviez résoudre le problème de la sensibilité insuffisante à haute fréquence avec des appareils qui combiner phonons avec photons. Ils ont montré que les dispositifs dans lesquels l’énergie est transportée dans des paquets quantiques qui partagent les propriétés des phonons et des photons peuvent avoir des propriétés tout à fait remarquables.

Ces dispositifs impliqueraient un changement radical vers un concept familier appelé «amplification résonnante». L’amplification résonnante est ce que vous faites lorsque vous poussez une balançoire de terrain de jeu: si vous poussez au bon moment, toutes vos petites poussées créent de gros balançoires.

Le nouvel appareil, appelé «cavité de lumière blanche», amplifierait toutes les fréquences de manière égale. C’est comme une balançoire que vous pourriez pousser n’importe quand et finir avec de gros résultats.

Cependant, personne n’a encore trouvé comment fabriquer l’un de ces appareils, car les phonons à l’intérieur seraient submergés par des vibrations aléatoires causées par la chaleur.

Solutions quantiques

Dans notre article, publié dans Communications Physics, nous montrons comment deux projets différents actuellement en cours pourraient faire le travail.

L’Institut Niels Bohr de Copenhague a développé des dispositifs appelés cristaux phononiques, dans lesquels les vibrations thermiques sont contrôlées par une structure cristalline découpée dans une fine membrane. Le centre d’excellence australien pour les systèmes quantiques d’ingénierie a également démontré un système alternatif dans lequel les phonons sont piégés à l’intérieur d’une lentille de quartz ultrapure.

Nous montrons que ces deux systèmes satisfont aux exigences pour créer la «dispersion négative» – qui diffuse les fréquences lumineuses dans un motif arc-en-ciel inversé – nécessaire pour les cavités de lumière blanche.

Les deux systèmes, lorsqu’ils sont ajoutés à l’extrémité arrière des détecteurs d’ondes gravitationnelles existants, amélioreraient la sensibilité à des fréquences de quelques kilohertz par les 40 fois ou plus nécessaires pour écouter la naissance d’un trou noir.

Et après?

Notre recherche ne représente pas une solution instantanée pour améliorer les détecteurs d’ondes gravitationnelles. Il existe d’énormes défis expérimentaux pour transformer ces dispositifs en outils pratiques. Mais il offre une voie vers l’amélioration de 40 fois des détecteurs d’ondes gravitationnelles nécessaires pour observer les naissances dans les trous noirs.

Les astrophysiciens ont prédit des formes d’ondes gravitationnelles complexes créées par les convulsions des étoiles à neutrons lorsqu’elles forment des trous noirs. Ces ondes gravitationnelles pourraient nous permettre d’écouter la physique nucléaire d’une étoile à neutrons qui s’effondre.

Par exemple, il a été montré qu’ils peuvent clairement révéler si les neutrons dans l’étoile restent sous forme de neutrons ou s’ils se décomposent en une mer de quarks, les plus petites particules subatomiques de toutes. Si nous pouvions observer des neutrons se transformer en quarks puis disparaître dans la singularité du trou noir, ce serait exactement l’inverse du Big Bang où, hors de la singularité, les particules ont émergé qui ont continué à créer notre univers.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lisez l’article original.

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