réduction du bruit des détecteurs d'ondes gravitationnelles

Un détecteur quantique, c'est comme un pendule sensible suspendu dans le vide. Si une onde gravitationnelle brutale passe à proximité, on pourrait s'attendre à ce que le pendule se mette à osciller. Mais le calcul montre le contraire : l'onde ne l'agite pas, elle amortit au contraire les oscillations déjà présentes.

Imaginez une corde tendue entre deux chevilles. Le moindre effleurement la fait vibrer, et la hauteur du son révèle comment on l'a touchée. Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont tendu une corde semblable, non pas sur un instrument de musique, mais sur une membrane de silicium d'une centaine de nanomètres d'épaisseur.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ressemblent à des oreilles très fines : ils captent les frémissements de l'espace lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons entrent en collision quelque part dans l'Univers. Mais même les « oreilles » les plus perfectionnées n'entendent pas tout.

Un minuscule défaut dans un cristal de diamant agit comme un microphone sensible qui capte les moindres champs magnétiques. C'est ainsi que fonctionnent les capteurs à centres azote-lacune (lorsqu'un atome d'azote et une lacune voisine forment un système quantique).

Un immense bol d'eau. Jetez-y une pierre : des cercles se propagent à la surface. C'est à peu près ainsi que fonctionne le tissu de l'espace-temps : lorsque deux étoiles massives fusionnent, elles créent des ondulations — les ondes gravitationnelles.

Un kaléidoscope de bruits — c’est ainsi que l’on peut décrire le flux de données jaillissant des interféromètres LIGO.

Prédites par Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont des balises dans l'océan sombre du cosmos. Elles jaillissent lors de collisions de trous noirs et parcourent l'Univers en ridant l'espace.

En 2019, l'installation LIGO a enregistré une onde gravitationnelle — une ondulation dans le tissu de l'espace-temps — dont la carte temps-fréquence ressemblait à un peigne étrange. Chaque signal de fusion de trous noirs laisse une empreinte unique, comme des empreintes digitales.

Distinguer le signal d'une paire de trous noirs supermassifs, c'est comme entendre les pas d'un danseur dans le fracas d'un ouragan. Quelque part dans l'espace, ces monstres tournent dans un tango gravitationnel lent, déformant l'espace-temps lui-même.

Le faisceau laser dans le tunnel de plusieurs kilomètres tremble au passage d'une onde gravitationnelle — mais ce tremblement est à peine perceptible, de l'ordre de fractions du diamètre d'un proton. Pour entendre ce murmure du cosmos, les physiciens tirent du laser tout ce qu'ils peuvent.

Dans la quête des ondes gravitationnelles — ces ondulations de la courbure de l'espace-temps laissées par les trous noirs et les étoiles à neutrons — les détecteurs comme LIGO injectent dans leurs bras une lumière d'une puissance éblouissante.

Les détecteurs LIGO et Virgo captent les ondes gravitationnelles issues de fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition sans se tromper. Les musiciens sont les qubits, porteurs d'information quantique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, il faut des qubits fiables, contrôlables et peu sensibles aux perturbations.

L'Univers est rempli d'une masse invisible — la matière noire, dont Fritz Zwicky a parlé pour la première fois dans les années 1930. Aujourd'hui, les meilleurs candidats sont les axions, des particules au-delà du modèle standard.

Un microphone hypersensible qui n'écoute pas le son, mais les frémissements de l'espace lui-même. C'est ainsi que fonctionnent les détecteurs d'ondes gravitationnelles — LIGO, Virgo, KAGRA.

Les télescopes gravitationnels écoutent la « musique » cosmique — ondes gravitationnelles provenant de catastrophes lointaines. Mais leurs enregistrements sont pleins de « rayures » — de courtes perturbations terrestres. Auparavant, l'évaluation se faisait sur l'ensemble du sillon d'un coup, et les faibles clics se perdaient.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition, tandis que le chef tente de saisir un rythme à peine audible, commun à tous. C'est à peu près ainsi que les astronomes recherchent les ondes gravitationnelles émises par des paires de trous noirs supermassifs (pesant des milliards de soleils) qui tournent l'un autour de l'autre dans des…

Un grain de poussière en lévitation dans un piège laser est un pendule idéal pour mesurer la gravité. Il flotte dans le vide, sans toucher les parois, et son mouvement ne dépend que des forces extérieures. Dans ces travaux, on propose un capteur amélioré : un qubit mécanique « comprimé » basé sur un oscillateur non linéaire.

Un aimant de la taille d'un grain de riz flotte dans le vide, sans toucher les parois. Il est maintenu par le champ magnétique d'un piège supraconducteur — un anneau refroidi dans un état où le courant circule sans résistance.

Un diapason émet un son incroyablement pur, mais dès qu'on le touche, la note change presque instantanément. C'est à peu près le défi auquel étaient confrontés les ingénieurs : créer un laser possédant simultanément deux propriétés apparemment incompatibles — une pureté spectrale exceptionnelle (une raie d'émission très étroite, comme un diapason qui donne une note sans…

Lorsque deux trous noirs fusionnent, le trou résultant « sonne » pendant un certain temps, émettant des ondes gravitationnelles — telle une cloche qui résonne avant de s'éteindre. Cette sonnerie est captée par des détecteurs géants conçus par Rainer Weiss et Kip Thorne.

Les miroirs des détecteurs d'ondes gravitationnelles écoutent l'univers, mais leur propre vibration les gêne, comme un microphone dans une gare bruyante.

Les capteurs magnétiques plus petits qu'une tête d'allumette savent déjà détecter des champs faibles, comme ceux émis par le cœur ou une planète lointaine. Mais pour les rendre encore plus sensibles, il faut faire des compromis : si l'on agrandit une pièce, on en perd une autre.

Sur une table se trouve un instrument sensible : la balance de torsion. Deux lourdes masses tournent près d'une tige suspendue, et leur attraction tend à faire pivoter cette tige. Mais les masses sont disposées de sorte que leur attraction newtonienne ordinaire s'annule mutuellement : l'une tire d'un côté, l'autre du côté opposé. Il ne reste qu'un faible résidu, que l'instrument capture.

Un capteur qui cherche des particules rares, c'est un peu comme une oreille qui tenterait de saisir un murmure dans une pièce bruyante. Plus le signal est faible, plus il est difficile de le distinguer du bruit de fond.

Lorsqu'une étoile massive meurt et s'effondre en supernova, naît une étoile à neutrons — une sphère de la taille d'une ville, mais avec la masse du Soleil. Sa matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse plus que le mont Everest.

Un liquide sans frottement qui coule éternellement, c'est la superfluidité. L'hélium-3 ne l'acquiert qu'à des millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. La théorie de cet état a été créée par Lev Landau et Richard Feynman.

Les trous noirs ne sont pas des gouffres silencieux, mais des diapasons naturels. Leur rotation vertigineuse, prédite par Roger Penrose, fait chanter l'espace-temps lui-même, engendrant un flux de particules ultralégères, les axions.

C'est Albert Einstein qui avait prédit les ondes gravitationnelles — ces frémissements de la trame même de la courbure de l'espace-temps.

Dans le dense amas de galaxies de la Vierge, des astronomes ont repéré six étranges nuages d'hydrogène neutre – un gaz qui n'émet pas de lumière et reste donc invisible aux télescopes optiques. Les radiotélescopes le détectent, mais son origine demeurait incertaine.

L'Univers est en expansion, et les galaxies s'éloignent comme les raisins secs dans une pâte qui lève. Mais depuis la fin des années 1990, on sait que cette expansion s'accélère. Quelle force pousse les galaxies à s'éloigner de plus en plus vite ? C'est l'une des plus grandes énigmes de la physique.

La fusion de deux étoiles à neutrons, c'est comme un coup de gong : un frémissement de l'espace se propage à travers l'Univers, une onde gravitationnelle. Les détecteurs sur Terre captent ce frémissement et, grâce à son intensité, calculent la distance de la source.

La matière noire est cinq fois plus massive que la matière ordinaire, mais elle n'émet pas de lumière. Sa nature est inconnue. L'un des candidats est constitué de particules ultra-légères : les axions. Ils peuvent traverser la planète de part en part, sans presque remarquer les atomes.

Mesurer l'expansion de l'univers, c'est un peu chronométrer une course alors que la piste s'étire. Les fusions d'étoiles à neutrons servent de sirènes standard : leurs ondes gravitationnelles émettent un « volume » connu, donc un signal plus faible signifie une distance plus grande.

Deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre, et leur danse ne ressemble pas toujours à une valse régulière. Si les trous noirs tournent sur leur axe, leur orbite peut commencer à culbuter — comme une toupie qu'on pousse et qui penche sur le côté tout en continuant à tourner.

La matière noire constitue 85% de la matière de l'Univers, mais reste invisible. Elle ne se manifeste que par la gravité. On peut la détecter par son « son » cosmique – une faible vibration qui imprègne l'espace. Un détecteur isolé est impuissant : le signal est trop faible.

Sur une puce, les ondes sonores se propagent généralement dans toutes les directions, comme des murmures qui résonnent sous une coupole. Dans un gyroscope, cela crée un bruit qui masque la rotation. Mais une nouvelle conception force le son à circuler dans un seul sens.

Selon la théorie d'Einstein, la rotation de la Terre entraîne avec elle le courbure de l'espace-temps — comme une cuillère qui remue du miel épais. Cet effet est incroyablement faible : environ un tour en des milliards d'années. Mais on peut le détecter.

La Lune n'est pas seulement un satellite, c'est une cloche gravitationnelle en puissance. Lorsque des corps massifs entrent en collision, l'espace-temps tremble, et ce tremblement, les ondes gravitationnelles, fait vibrer tout ce qu'il rencontre.