Découverte d’ondes gravitationnelles : notre compréhension de l’Univers pourrait être remodelée

En affinant les techniques de correction des miroirs, les scientifiques peuvent désormais pousser la puissance laser à des niveaux extrêmes, ouvrant de nouvelles perspectives sur le début de l’univers et la physique des trous noirs.

Une récente étude parue dans Physical Review Letters présente une percée optique qui pourrait considérablement améliorer la détection des ondes gravitationnelles. Menée par Jonathan Richardson de l’Université de Californie à Riverside, la recherche explique comment cette technologie améliore les observatoires actuels comme LIGO tout en jetant les bases des détecteurs de nouvelle génération.

Depuis la détection révolutionnaire de LIGO en 2015, ses interféromètres de 4 kilomètres ont transformé notre compréhension de l’univers. Les futures améliorations, ainsi que le Cosmic Explorer de 40 kilomètres prévu, visent à détecter les ondes gravitationnelles des premiers instants de l’univers. Atteindre cet objectif nécessite cependant de dépasser les limites actuelles de la puissance laser de LIGO.

Représentation artistique d’un observatoire Cosmic Explorer. Cosmic Explorer est un concept d’observatoire de nouvelle génération qui approfondira et clarifiera considérablement la vision des ondes gravitationnelles du cosmos par l’humanité.

Pour relever ce défi, les chercheurs ont développé un système d’optique adaptative haute résolution qui corrige les distorsions dans les massifs miroirs de LIGO. À mesure que la puissance du laser augmente, les distorsions induites par la chaleur réduisent la sensibilité, mais cette nouvelle technologie permet d’atteindre des niveaux de puissance extrêmes, permettant aux détecteurs de capturer des signaux plus faibles et plus éloignés.

Débloquer les secrets de l’Univers

Richardson explique que les ondes gravitationnelles – ondulations dans l’espace-temps causées par des collisions cosmiques massives – offrent un moyen unique d’étudier l’univers. LIGO a déjà détecté environ 200 événements, principalement des fusions de trous noirs, mais les chercheurs espèrent découvrir des phénomènes astrophysiques entièrement nouveaux.

Les détecteurs de LIGO sont limités par la mécanique quantique, en particulier par les propriétés quantiques de la lumière laser utilisée dans les interféromètres. L’équipe de Richardson a développé un système de correction optique innovant qui projette un rayonnement infrarouge à faible bruit sur les miroirs de LIGO, assurant une sensibilité plus élevée. Cette approche optique non imagière est la première du genre dans la détection des ondes gravitationnelles.

Cosmic Explorer, le successeur américain de LIGO, comportera des bras d’interféromètre de 40 kilomètres – dix fois la taille de LIGO – ce qui en fera le plus grand instrument scientifique jamais construit. À pleine sensibilité, il détectera les ondes gravitationnelles d’une époque antérieure à la formation des premières étoiles, offrant un aperçu de l’enfance de l’univers.

Cette recherche est essentielle pour répondre à des questions fondamentales sur l’univers, notamment son taux d’expansion et la nature des trous noirs. Des mesures conflictuelles de l’expansion cosmique pourraient être résolues grâce à des observations d’ondes gravitationnelles, tandis que des lectures précises des horizons d’événements des trous noirs permettront de tester directement la relativité générale et les théories alternatives.

En étant pionniers de ces avancées, les scientifiques nous rapprochent du déchiffrage des mystères les plus profonds de l’univers.

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