interféromètre

La nuit, au sommet d'un volcan, six télescopes observent le même point de lumière. Chacun capture sa propre copie de l'onde, et si l'on combine leurs signaux, on obtient une image qu'aucun instrument seul ne pourrait produire. Mais il y a un piège : la lumière captée par différentes stations ne peut pas simplement être additionnée comme des photographies.

Lorsqu'une particule alpha traverse un gaz, elle ne laisse pas derrière elle une trace continue, mais une chaîne d'ionisations distinctes, de minuscules éclairs où des électrons sont arrachés aux atomes. Dans une cellule vivante, ces éclairs endommagent l'ADN, et plus ils sont regroupés en pelote, plus les dégâts sont graves.

La lumière qui n'atteint pas la caméra laisse pourtant sa trace sur elle. C'est ainsi que fonctionne la nouvelle méthode de prise de vue : on éclaire l'objet avec une couleur, et l'image est assemblée à partir d'une autre. Dans le cristal, les ondes lumineuses se mélangent, et l'information sur l'invisible passe au faisceau visible.

Les deux états de l'atome de strontium sont comme deux jumeaux qui courent sur la même piste, mais l'un légèrement au-dessus de l'autre. D'habitude, la lumière utilisée pour manipuler les atomes pousse un jumeau plus fort que l'autre. Ici, on a choisi une longueur d'onde de 813 nanomètres — « magique » — pour laquelle les deux reçoivent la même impulsion.

Les deux états de l'atome de strontium sont comme deux jumeaux qui courent sur la même piste, mais l'un légèrement au-dessus de l'autre. D'habitude, la lumière utilisée pour manipuler les atomes pousse un jumeau plus fort que l'autre. Ici, on a choisi une longueur d'onde de 813 nanomètres — « magique » — pour laquelle les deux reçoivent la même impulsion.

La lumière qui traverse un verre d'eau trouble s'affaiblit : une partie est absorbée. C'est ainsi que fonctionnent de nombreux instruments d'analyse de liquides : ils mesurent la perte de lumière et en déduisent la composition. Mais si le liquide est hétérogène, comme une soupe avec des morceaux, une seule valeur ne suffit pas : il faut savoir où l'absorption est la plus forte.

En cuisine, quand la poêle chauffe, la main sent la chaleur avant même de toucher. Le télescope solaire capte une chaleur invisible similaire, mais provenant de l'étoile, pas de la cuisinière. L'instrument nommé HATS détecte le rayonnement térahertz, qui était auparavant peu étudié en raison de difficultés techniques.

L'orchestre joue, mais le chef d'orchestre n'entend qu'un bourdonnement général. Chaque instrument joue sa partition, et impossible de distinguer la flûte de la contrebasse. Il faut un analyseur de spectre — un dispositif qui décompose le son par fréquences.

Sur le mur, des bandes claires et sombres. Voilà à quoi ressemble la lumière qui s'annule elle-même. Dès le XVIIe siècle, Christiaan Huygens avait suggéré que la lumière était une onde.

Chaque nuit, des centaines d'observatoires scrutent le ciel, mais les planètes autour d'autres étoiles restent des fantômes. Leur lumière est des milliards de fois plus faible que celle de leur étoile parente — la tâche semble désespérée.

Deux photons se rencontrent sur une lame semi-réfléchissante. S'ils arrivent strictement en même temps, ils ressortent toujours ensemble, côte à côte, comme des jumeaux qui refusent de se séparer. Cet effet, découvert en 1987, est devenu la base d'une règle quantique pour mesurer de minuscules retards.

Lorsqu'une onde radio rencontre un bâtiment sur son chemin, elle ne se contente pas de se réfléchir ou d'être absorbée : elle le contourne, un peu comme les vagues de la mer épousent un rocher, laissant derrière lui une eau calme.

Les antennes classiques, pour déterminer précisément la direction, doivent fonctionner de manière coordonnée : elles captent non seulement le volume, mais aussi la position de l'onde à un instant donné. Le moindre défaut de réglage, et la direction est perdue. La nouvelle méthode ne s'appuie que sur la force du signal.

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.

Deux microphones sensibles écoutent l'Univers. L'un perçoit un grondement sourd, l'autre presque rien. Ce n'est pas une panne, mais la façon dont ils sont orientés. Les observatoires d'ondes gravitationnelles comme LIGO ne captent pas seulement les sursauts violents issus de la fusion de trous noirs.

Les câbles Internet sous-marins qui enserrent la planète fonctionnent comme une oreille géante. Le fil de verre à l'intérieur réagit aux mouvements de l'eau : les courants, les marées et les séismes lointains courbent le câble. La lumière qui parcourt le fil met un peu plus de temps à traverser – ce retard est mesuré sur la rive, en le comparant à une référence.

Un observatoire d'ondes gravitationnelles ressemble à un microphone réparti en différents points de la Terre. Lorsqu'un signal arrive de l'espace — par exemple, d'une fusion de trous noirs ou de l'explosion d'une supernova — chaque microphone entend quelque chose de légèrement différent.

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.

Des scientifiques ont fait en sorte que des ondes électromagnétiques se perdent à jamais dans un labyrinthe tridimensionnel de particules métalliques. Jusqu'à présent, cela n'avait été réalisé que pour le son ou les électrons. L'entropie — mesure du désordre — a joué ici le rôle d'un cul-de-sac : les ondes se superposaient et s'annulaient mutuellement, perdant leur direction.

L'univers est imprégné d'une substance invisible — la matière noire ultra-légère, qui n'entre pas en collision avec la matière ordinaire mais peut frémir, telle une corde tendue.

Dans le silence du laboratoire, un pétale de graphite plane au-dessus d'une grille magnétique. Ce n'est pas seulement une démonstration de la magie du diamagnétisme, c'est une écoute de l'Univers. Comme une araignée qui déploie sa toile pour capter les vibrations du monde invisible, cette feuille est devenue une toile gravitationnelle.

Jetez deux cailloux dans un étang en même temps : les ondulations se propagent de manière régulière et coordonnée. C'est le principe de l'interféromètre quantique : on divise une particule en deux ondes qui suivent des chemins différents puis se rejoignent. Idéalement, leurs crêtes coïncident.

Deux faisceaux lumineux courent en sens inverse sur un anneau fermé. Comme la vitesse de la lumière est constante, lorsque l'anneau tourne, l'un des faisceaux doit rattraper une cible qui se déplace, tandis que l'autre va plus vite. Leur rencontre crée une figure qui permet de déterminer la vitesse de rotation de l'ensemble.

Les ondes gravitationnelles sont les frémissements de l'espace provoqués par les fusions de trous noirs et d'étoiles à neutrons.

Un instrument de musique sonne plus pur lorsque ses cordes ne touchent rien de superflu. C'est à peu près ainsi que fonctionne le nouveau magnétomètre optique : une cuve en verre de la taille d'une boîte d'allumettes est remplie d'un gaz d'atomes de rubidium, et ses parois sont recouvertes d'une fine couche de paraffine — comme la cire sur une piste de ski glissante.

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

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont des microphones qui écoutent les frémissements de l'espace. Mais leur propre bruit étouffe les signaux faibles.

Fine comme une bulle de savon, une membrane de nitrure d'aluminium est suspendue au-dessus d'une plaque miroir, avec entre elles une couche d'air d'un micromètre d'épaisseur.

Un faisceau de rayons X est un flux de minuscules paquets d'énergie, les photons. Les détecteurs ordinaires les comptent mais ne distinguent pas les nuances : deux photons d'énergie proche sont identiques pour eux. Le nouvel instrument fonctionne comme un thermomètre sensible : il capture chaque photon et mesure à quel point il a chauffé une fine membrane.

Un ballon de baudruche avec une goutte de colle séchée se gonfle de manière inégale : la colle s'étire différemment du caoutchouc. C'est un peu ce qui se passe avec la cornée — la membrane transparente de l'œil — après des procédures qui modifient son élasticité. Des ingénieurs l'ont testé sur des yeux de porc.

Un faisceau laser traverse la cellule, et celle-ci répond au contact, comme une corde tendue que l'on pince. La fréquence de cette « résonance » révèle si le matériau est rigide ou souple. C'est le principe de la microscopie Brillouin, nommée d'après le physicien français Léon Brillouin.

Dans le casque à travers lequel on écoute un orchestre lointain, un grésillement se fait entendre de temps en temps. Ce grésillement peut être si fort qu'il couvre la musique, ou même se fondre avec elle.

Un gardien doit vérifier cinq pièces, mais il ne peut pas entrer. Il frappe à la porte et écoute : le silence signifie que quelqu'un est à l'intérieur, tandis que l'écho indique que la pièce est vide.

Les atomes d'un faisceau se déplacent à différentes vitesses, comme des coureurs sur un stade. Une impulsion laser ordinaire ne pousse que ceux qui courent à une seule vitesse, tandis que la nouvelle agit comme un entraîneur qui donne des ordres à tout le groupe à la fois. Cette approche implique davantage d'atomes dans la mesure.

La lumière infrarouge est invisible à l'œil, mais elle est partout : de la télécommande du téléviseur à la chaleur du corps humain. Pour la capturer, il faut des matériaux spéciaux. Les détecteurs classiques sont encombrants, rigides et difficiles à accorder sur la longueur d'onde souhaitée.

Galilée, selon la légende, aurait lancé des boules depuis la tour de Pise pour prouver que les corps lourds et légers tombent à la même vitesse. Cette loi est devenue le fondement de la théorie de la gravitation d'Einstein. Aujourd'hui, les scientifiques ont transformé une station spatiale entière en une telle tour.

Les microplastiques — ces minuscules fragments de polymères synthétiques — se retrouvent aujourd'hui partout, des glaciers de montagne aux aliments.

Un gravimètre atomique fonctionne comme une balance très précise pour la gravité : il lance un nuage d'atomes et observe la vitesse à laquelle ils retombent. Mais ces instruments ont un défaut caché : la forme du signal qu'ils produisent est légèrement asymétrique. Ce déséquilibre, tel un bord de règle irrégulier, décale imperceptiblement toutes les mesures.