Les chercheurs de LIGO ont développé de nouveaux revêtements pour ses miroirs gigantesques qui pourraient réduire de moitié le bruit thermique, augmentant potentiellement considérablement la quantité d’espace que les installations de LIGO peuvent sonder. [Image: Caltech]
Observatoires d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser—y compris les deux installations LIGO aux États-Unis, l’installation Virgo en Europe et un nombre croissant de sites dans d’autres pays—sont déjà les appareils les plus sensibles de la planète. Dans leur configuration actuelle, ils peuvent percevoir des ondulations incroyablement faibles dans l’espace-temps émanant d’événements cosmiques à des milliards d’années-lumière de la Terre.
Mais les scientifiques de LIGO et de Virgo veulent aller plus loin. Pour ce faire, ils ont travaillé sur une variété d’améliorations, allant de l’utilisation d’états de vide à compression quantique à de nouveaux matériaux pour réduire la lumière parasite dans les détecteurs. Ces améliorations ont régulièrement réduit le bruit des détecteurs et ainsi augmenté le volume du cosmos que les installations peuvent échantillonner. Bon nombre de ces améliorations relèvent du projet informel « Ligo avancé Plus » (LIGO A+), une entreprise qui vise à pousser la sensibilité des installations existantes aussi loin que possible.
Aujourd’hui, les chercheurs ont annoncé qu’une dernière pièce clé du puzzle A+ pourrait s’être mise en place : le développement de revêtements ultra-faible bruit pour les miroirs de 40 kg, ou « masses d’essai », qui forment les extrémités des bras de l’interféromètre. (Phys. Rev. Lett., doi : 10.1103/PhysRevLett.127.071101). Les revêtements de miroir pourraient, selon les scientifiques, réduire le bruit thermique dans les interféromètres d’un facteur de deux. Cette amélioration, si elle était réalisée, entraînerait une multiplication par huit du volume d’espace que les installations LIGO et Virgo peuvent sonder d’ici le milieu de cette décennie.
Interféromètres géants
Les observatoires à ondes gravitationnelles sont essentiellement de gigantesques interféromètres Fabry-Pérot, conçus dans un but singulier. Les bras de l’interféromètre mesurent plusieurs kilomètres de long, avec les grosses masses d’essai – de grands disques de silice recouverts d’empilements à haute réflectivité de couches minces diélectriques – délicatement suspendues à des fils à l’extrémité. Des lasers à haute puissance dans les bras de l’interféromètre font rebondir la lumière sur les masses d’essai. La lumière des deux bras est ensuite acheminée vers le « port sombre » de l’installation, où elle est combinée et le signal d’interférence est lu.
Le site LIGO près de Livingston, LA, USA. [Image: Caltech/MIT/LIGO Lab]
Lorsqu’une onde gravitationnelle d’un événement cosmique lointain passe la Terre, elle pousse les masses d’essai, raccourcissant infiniment un bras de l’interféromètre et allongeant l’autre. Les changements de longueur différents apparaissent dans le signal d’interférence au port sombre. Cette configuration permet un niveau de sensibilité presque ridicule ; dans une statistique couramment citée, les détecteurs LIGO et Virgo peuvent détecter des contraintes mille fois plus petites que la largeur d’un proton.
Améliorer cette sensibilité hallucinante revient finalement à éliminer méthodiquement les sources de bruit dans le détecteur. Une grande attention a récemment été consacrée à l’élimination d’une source de bruit : le bruit quantique dans le signal laser. Lors des récents cycles de mise à niveau, l’équipe LIGO s’est attaquée à cette source de bruit en injecter de la lumière dite pressée dans le détecteur, pour réduire le bruit de grenaille quantique et, plus récemment, via « compression dépendant de la fréquence », pour minimiser le bruit de pression de rayonnement quantique au niveau des miroirs.
Lutter contre le bruit thermique des miroirs
Mais il y a une autre source de bruit de fond embêtante dans les observatoires : le bruit thermique dans les films miroirs diélectriques qui recouvrent les lourdes masses d’essai. Ce bruit est généré par le mouvement brownien, la vibration thermique aléatoire des atomes dans les revêtements. L’équipe à l’origine des travaux récemment rapportés, qui comprend des scientifiques du California Institute of Technology, de l’Université d’État du Colorado, de l’Université de Montréal et de l’Université de Stanford, visait à développer un revêtement de nouvelle génération qui pourrait réduire ce bruit thermique.
Les revêtements miroirs actuellement utilisés sur les installations LIGO sont constitués de couches alternées de silice à faible indice de réfraction (SiO2) couches minces et couches à haut indice de réfraction d’un mélange d’oxyde de titane et de tantale (TiO2:Ta2O5). Des études antérieures avaient montré que ce dernier composant était le principal contributeur au bruit brownien dans le revêtement. L’équipe s’est donc concentrée sur la recherche d’un remplaçant approprié pour TiO2:Ta2O5 dans la pile de couches minces.
Un candidat était l’oxyde de germanium (GeO2), dont les propriétés détaillées suggèrent qu’il produirait un bruit brownien beaucoup plus faible. Le problème, cependant, était que GeO2 a un indice de réfraction beaucoup plus faible que TiO2:Ta2O5. Pour cette raison, la construction d’un revêtement suffisamment réfléchissant à l’aide de GeO2 au lieu de TiO2:Ta2O5 nécessiterait tellement de couches supplémentaires que cela annulerait effectivement le GeO2l’avantage du bruit thermique.
Explorer de nouveaux matériaux
Les chercheurs ont trouvé une solution en co-déposant GeO2 avec TiO2, et en ajustant les proportions jusqu’à ce qu’elles arrivent à la combinaison optimale d’un indice de réfraction élevé et d’un faible bruit brownien. Des chercheurs de l’État du Colorado, dirigés par l’Optica Fellow Carmen Menoni, ont utilisé une pulvérisation cathodique par faisceau d’ions soigneusement contrôlée pour revêtir des disques de verre avec diverses proportions des deux matériaux à des fins d’évaluation. Les disques ont ensuite été testés par le groupe du chef d’équipe Gabriele Vajente à Caltech.
Un membre de l’équipe de test scanne un affichage des modes de vibration dans l’un des échantillons de test. L’auteur principal Gabriele Vajente de Caltech a déclaré que les processus de test automatisés améliorés ont réduit le temps nécessaire pour converger vers le meilleur matériau de revêtement. [Image: Caltech]
Vajente, dans un communiqué de presse accompagnant la recherche, a noté que les améliorations des tests étaient l’une des clés pour trouver le nouveau matériau. « Nous pouvons désormais tester les propriétés d’un nouveau matériau en huit heures environ, de manière entièrement automatisée, alors qu’avant cela prenait presque une semaine », a-t-il déclaré. “Cela nous a permis d’explorer le tableau périodique en essayant beaucoup de matériaux différents et beaucoup de combinaisons.”
Un « changeur de jeu »
Selon les collaborateurs de LIGO, les masses d’essai des deux installations LIGO pourraient être équipées des revêtements améliorés d’ici le milieu de la décennie, en synchronisation avec le programme LIGO A+ et à temps pour la cinquième période d’observation des sites. Le boursier Optica David Reitze, directeur exécutif du laboratoire LIGO de Caltech, a prédit dans un communiqué de presse que la réduction du bruit thermique avec les revêtements pourrait « augmenter le taux de détection des ondes gravitationnelles d’une fois par semaine à une fois par jour ou plus ».
« Cela change la donne pour Advanced LIGO Plus », a déclaré Reitze. « C’est la plus grande avancée dans le développement de revêtements optiques de précision pour LIGO au cours des 20 dernières années. »
Les chercheurs de LIGO ont développé de nouveaux revêtements pour ses miroirs gigantesques qui pourraient réduire de moitié le bruit thermique, augmentant potentiellement considérablement la quantité d’espace que les installations de LIGO peuvent sonder. [Image: Caltech]
Observatoires d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser—y compris les deux installations LIGO aux États-Unis, l’installation Virgo en Europe et un nombre croissant de sites dans d’autres pays—sont déjà les appareils les plus sensibles de la planète. Dans leur configuration actuelle, ils peuvent percevoir des ondulations incroyablement faibles dans l’espace-temps émanant d’événements cosmiques à des milliards d’années-lumière de la Terre.
Mais les scientifiques de LIGO et de Virgo veulent aller plus loin. Pour ce faire, ils ont travaillé sur une variété d’améliorations, allant de l’utilisation d’états de vide à compression quantique à de nouveaux matériaux pour réduire la lumière parasite dans les détecteurs. Ces améliorations ont régulièrement réduit le bruit des détecteurs et ainsi augmenté le volume du cosmos que les installations peuvent échantillonner. Bon nombre de ces améliorations relèvent du projet informel « Ligo avancé Plus » (LIGO A+), une entreprise qui vise à pousser la sensibilité des installations existantes aussi loin que possible.
Aujourd’hui, les chercheurs ont annoncé qu’une dernière pièce clé du puzzle A+ pourrait s’être mise en place : le développement de revêtements ultra-faible bruit pour les miroirs de 40 kg, ou « masses d’essai », qui forment les extrémités des bras de l’interféromètre. (Phys. Rev. Lett., doi : 10.1103/PhysRevLett.127.071101). Les revêtements de miroir pourraient, selon les scientifiques, réduire le bruit thermique dans les interféromètres d’un facteur de deux. Cette amélioration, si elle était réalisée, entraînerait une multiplication par huit du volume d’espace que les installations LIGO et Virgo peuvent sonder d’ici le milieu de cette décennie.
Interféromètres géants
Les observatoires à ondes gravitationnelles sont essentiellement de gigantesques interféromètres Fabry-Pérot, conçus dans un but singulier. Les bras de l’interféromètre mesurent plusieurs kilomètres de long, avec les grosses masses d’essai – de grands disques de silice recouverts d’empilements à haute réflectivité de couches minces diélectriques – délicatement suspendues à des fils à l’extrémité. Des lasers à haute puissance dans les bras de l’interféromètre font rebondir la lumière sur les masses d’essai. La lumière des deux bras est ensuite acheminée vers le « port sombre » de l’installation, où elle est combinée et le signal d’interférence est lu.
Le site LIGO près de Livingston, LA, USA. [Image: Caltech/MIT/LIGO Lab]
Lorsqu’une onde gravitationnelle d’un événement cosmique lointain passe la Terre, elle pousse les masses d’essai, raccourcissant infiniment un bras de l’interféromètre et allongeant l’autre. Les changements de longueur différents apparaissent dans le signal d’interférence au port sombre. Cette configuration permet un niveau de sensibilité presque ridicule ; dans une statistique couramment citée, les détecteurs LIGO et Virgo peuvent détecter des contraintes mille fois plus petites que la largeur d’un proton.
Améliorer cette sensibilité hallucinante revient finalement à éliminer méthodiquement les sources de bruit dans le détecteur. Une grande attention a récemment été consacrée à l’élimination d’une source de bruit : le bruit quantique dans le signal laser. Lors des récents cycles de mise à niveau, l’équipe LIGO s’est attaquée à cette source de bruit en injecter de la lumière dite pressée dans le détecteur, pour réduire le bruit de grenaille quantique et, plus récemment, via « compression dépendant de la fréquence », pour minimiser le bruit de pression de rayonnement quantique au niveau des miroirs.
Lutter contre le bruit thermique des miroirs
Mais il y a une autre source de bruit de fond embêtante dans les observatoires : le bruit thermique dans les films miroirs diélectriques qui recouvrent les lourdes masses d’essai. Ce bruit est généré par le mouvement brownien, la vibration thermique aléatoire des atomes dans les revêtements. L’équipe à l’origine des travaux récemment rapportés, qui comprend des scientifiques du California Institute of Technology, de l’Université d’État du Colorado, de l’Université de Montréal et de l’Université de Stanford, visait à développer un revêtement de nouvelle génération qui pourrait réduire ce bruit thermique.
Les revêtements miroirs actuellement utilisés sur les installations LIGO sont constitués de couches alternées de silice à faible indice de réfraction (SiO2) couches minces et couches à haut indice de réfraction d’un mélange d’oxyde de titane et de tantale (TiO2:Ta2O5). Des études antérieures avaient montré que ce dernier composant était le principal contributeur au bruit brownien dans le revêtement. L’équipe s’est donc concentrée sur la recherche d’un remplaçant approprié pour TiO2:Ta2O5 dans la pile de couches minces.
Un candidat était l’oxyde de germanium (GeO2), dont les propriétés détaillées suggèrent qu’il produirait un bruit brownien beaucoup plus faible. Le problème, cependant, était que GeO2 a un indice de réfraction beaucoup plus faible que TiO2:Ta2O5. Pour cette raison, la construction d’un revêtement suffisamment réfléchissant à l’aide de GeO2 au lieu de TiO2:Ta2O5 nécessiterait tellement de couches supplémentaires que cela annulerait effectivement le GeO2l’avantage du bruit thermique.
Explorer de nouveaux matériaux
Les chercheurs ont trouvé une solution en co-déposant GeO2 avec TiO2, et en ajustant les proportions jusqu’à ce qu’elles arrivent à la combinaison optimale d’un indice de réfraction élevé et d’un faible bruit brownien. Des chercheurs de l’État du Colorado, dirigés par l’Optica Fellow Carmen Menoni, ont utilisé une pulvérisation cathodique par faisceau d’ions soigneusement contrôlée pour revêtir des disques de verre avec diverses proportions des deux matériaux à des fins d’évaluation. Les disques ont ensuite été testés par le groupe du chef d’équipe Gabriele Vajente à Caltech.
Un membre de l’équipe de test scanne un affichage des modes de vibration dans l’un des échantillons de test. L’auteur principal Gabriele Vajente de Caltech a déclaré que les processus de test automatisés améliorés ont réduit le temps nécessaire pour converger vers le meilleur matériau de revêtement. [Image: Caltech]
Vajente, dans un communiqué de presse accompagnant la recherche, a noté que les améliorations des tests étaient l’une des clés pour trouver le nouveau matériau. « Nous pouvons désormais tester les propriétés d’un nouveau matériau en huit heures environ, de manière entièrement automatisée, alors qu’avant cela prenait presque une semaine », a-t-il déclaré. “Cela nous a permis d’explorer le tableau périodique en essayant beaucoup de matériaux différents et beaucoup de combinaisons.”
Un « changeur de jeu »
Selon les collaborateurs de LIGO, les masses d’essai des deux installations LIGO pourraient être équipées des revêtements améliorés d’ici le milieu de la décennie, en synchronisation avec le programme LIGO A+ et à temps pour la cinquième période d’observation des sites. Le boursier Optica David Reitze, directeur exécutif du laboratoire LIGO de Caltech, a prédit dans un communiqué de presse que la réduction du bruit thermique avec les revêtements pourrait « augmenter le taux de détection des ondes gravitationnelles d’une fois par semaine à une fois par jour ou plus ».
« Cela change la donne pour Advanced LIGO Plus », a déclaré Reitze. « C’est la plus grande avancée dans le développement de revêtements optiques de précision pour LIGO au cours des 20 dernières années. »
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