Détection des ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles sont détectées en mesurant les changements minimes qu'elles induisent dans les longueurs relatives des bras perpendiculaires de gigantesques interféromètres laser, un exploit réalisé pour la première fois par LIGO en 2015.

Definition

La détection des ondes gravitationnelles est la mesure de la déformation (strain), le changement fractionnaire de distance, produit par une onde de passage, réalisée par interférométrie laser sur des bases de plusieurs kilomètres au sol, par des interféromètres spatiaux prévus, et par des réseaux de synchronisation de pulsars millisecondes à très basses fréquences.

Scope

Ce sujet aborde le principe de la détection interférométrique, la réponse d'un interféromètre en forme de L à la déformation (strain) des ondes, les sources de bruit dominantes (bruit sismique, thermique et de grenaille quantique) et les techniques utilisées pour les supprimer, le réseau mondial de détecteurs (LIGO, Virgo, KAGRA) ainsi que les observatoires spatiaux et à synchronisation de pulsars prévus, et l'analyse de données par filtrage adapté (matched-filtering) utilisée pour extraire les signaux du bruit.

Core questions

• Comment un interféromètre laser convertit-il la déformation de l'espace-temps en un signal mesurable ?
• Quelles sources de bruit limitent la sensibilité et comment sont-elles surmontées ?
• Comment les signaux faibles sont-ils identifiés au sein du bruit du détecteur ?

Key concepts

• Interféromètre laser
• Sensibilité à la déformation
• Bruit sismique et thermique
• Bruit de grenaille quantique
• Réseau de détecteurs et triangulation
• Filtrage adapté

Key theories

Mesure interférométrique de la déformation

Une onde de passage modifie de manière opposée les longueurs de deux bras perpendiculaux d'un interféromètre, décalant l'interférence de la lumière laser recombinée, de sorte que le déphasage mesuré est une lecture directe de la déformation de l'onde gravitationnelle.

Détection par filtrage adapté

Étant donné que les formes d'onde attendues peuvent être calculées à l'avance, les signaux bien en dessous du bruit sont extraits en corrélant les données avec des banques de gabarits théoriques, technique qui a confirmé la première fusion de trous noirs.

Clinical relevance

La technologie de détection définit ce que l'astronomie des ondes gravitationnelles peut observer : les interféromètres terrestres couvrent la bande audio des fusions d'objets de masse stellaire, les missions spatiales prévues atteindront des fréquences plus basses pour les binaires de trous noirs massifs, et les réseaux de synchronisation de pulsars sondent les ondes nanohertz provenant de paires de trous noirs supermassifs, couvrant ainsi l'ensemble du spectre des ondes gravitationnelles.

History

Les tentatives de barres résonantes de Joseph Weber dans les années 1960 ont stimulé le domaine ; Weiss a conçu l'approche interférométrique au début des années 1970, et après des décennies de développement, LIGO a réalisé la première détection directe en septembre 2015, une réalisation reconnue par le prix Nobel 2017 attribué à Weiss, Thorne et Barish.

Key figures

• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish
• Ronald Drever

Seminal works

• abbott2016
• saulson1994

Frequently asked questions

Comment les détecteurs peuvent-ils mesurer un changement de longueur plus petit qu'un noyau atomique ?

En utilisant des bras de plusieurs kilomètres de long, des lasers stabilisés de haute puissance réfléchis des milliers de fois, et une isolation extrême des perturbations sismiques et thermiques, les interféromètres détectent le changement différentiel de longueur de bras de l'ordre de 10^-18 mètres qu'une onde gravitationnelle produit.

Pourquoi plusieurs détecteurs sont-ils nécessaires plutôt qu'un seul ?

Un réseau confirme qu'un signal est astrophysique plutôt qu'un bruit local et, en comparant les temps d'arrivée entre des sites largement séparés, localise la source dans le ciel, ce qui est essentiel pour pointer les télescopes en vue d'un suivi multi-messager.