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Posté par Redbran le Mardi 27/12/2016 à 12:00
Des interféromètres atomique décteteurs d'ondes gravitationnelles
Vers un détecteur d'ondes gravitationnelles terrestre à basse fréquence utilisant l'interférométrie atomique

L'observation des ondes gravitationnelles effectuée par les collaborations Ligo (Etats-Unis) et Virgo (Europe) ouvre l'ère d'une nouvelle astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques...) dite gravitationnelle. Cette astronomie nous permettra de comprendre la formation et la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des astres compacts comme les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Elle nous renseignera également sur les premiers instants de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) inaccessibles par les observatoires optiques et, plus généralement, par la détection dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le spectre des ondes électromagnétiques.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels sont optimisés pour la détection d'ondes dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) est comprise entre 10 et 1000 hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s).). Le développement de l'astronomie gravitationnelle passe alors par la conception et la réalisation de détecteurs fonctionnant dans d'autres gammes de fréquences, donnant ainsi accès à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) de phénomènes inaccessibles à Ligo (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) et Virgo. C'est notamment le cas du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) européen d'interféromètre spatial eLISA qui vise à observer les ondes gravitationnelles dans la gamme du millihertz.

Toutefois, ce nouveau détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement...) ne permettrait toujours pas d'observer les nombreuses sources astrophysiques émettant dans la gamme de fréquences intermédiaire comprise entre 100 millihertz et 10 hertz. Des physiciens d'ARTEMIS (CNRS/Univ. Côte d'Azur/Obs. de la côte d'Azur), du LNE-SYRTE (CNRS/Obs. de Paris/UPMC) et du LP2N (CNRS/IOGS/Univ. Bordeaux) viennent de proposer l'utilisation de l'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) atomique pour concevoir un détecteur pouvant fonctionner dans cette gamme de fréquences. Le point (Graphie) clé de leur proposition consiste à réduire significativement le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) lié aux fluctuations aléatoires du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) terrestre, dit bruit newtonien, qui masque le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) des ondes gravitationnelles à ces fréquences. Ce bruit provient essentiellement des fluctuations de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps...) dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) causé par la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation...), ainsi que des fluctuations de densité du sol causées par les ondes sismiques. Ce travail est publié dans la revue Physical Review D.

La proposition des chercheurs consiste à déployer un détecteur formé par un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...) d'interféromètres atomiques utilisant un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...) d'interrogation unique. Les interféromètres forment ainsi un réseau de gradiomètres répartis le long du bras du détecteur d'onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations d'Einstein sont découplées des...) et dont le signal moyen permet de diminuer la contribution des fluctuations du champ de gravité au profit du signal d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) gravitationnelle. Avec la configuration proposée dans leur publication, cette méthode permettrait d'observer des signaux d'ondes gravitationnelles d'une amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) jusque dix fois inférieure aux limites imposées par le bruit Newtonien. Cette proposition théorique s'inscrit dans le cadre plus général de l'Equipex MIGA (Matter wave laser Interferometric Gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) Antenna).

Cet Equipex représente un premier pas vers le développement d'un interféromètre atomique à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande...) pour la détection des ondes gravitationnelles, et pour la compréhension fine de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) géophysique autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) de ces instruments. Collaboration entre 17 partenaires académiques et industriels répartis sur toute la France, cet équipement sera opérationnel en 2018 dans le Laboratoire souterrain à bas bruit (LSBB, CNRS/Univ. Nice Sophia Antipolis/Univ. Avignon Pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...) de Vaucluse) situé sur le plateau d'Albion, dans le Vaucluse. L'instrument sera organisé autour d'une chambre à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) de 300 mètres dans laquelle seront disposés trois interféromètres atomiques.

Au-delà de ses nombreuses applications en géophysique, ce dispositif unique au monde (Le mot monde peut désigner :) pourrait extraire pour la première fois le signal de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) gravitationnelle du bruit Newtonien, une étape essentielle pour l'observation des ondes gravitationnelles sub-Hz sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive...).

Référence publication:
Low Frequency Gravitational Wave Detection With Ground Based Atom (L'appellation Atom se réfère à deux standards liés.) Interferometer Arrays
W. Chaibi, R. Geiger, B. Canuel, A. Bertoldi, A. Landragin et P. Bouyer
Physical Review D (2016), doi:10.1103/PhysRevD.93.021101

Contacts chercheurs:
- Rémi Geiger, SYRTE
- Walid Chaibi, ARTEMIS
- Benjamin Canuel, LP2N
- Stéphane Gaffet, LSBB

- Laboratoire Photonique, Numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...), Nanosciences (LP2N, CNRS/IOGS/Univ. Bordeaux)
- Laboratoire national de métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) et d'essais - Système de Références Temps-Espace (LNE-SYRTE, CNRS/Obs. de Paris/UPMC)
- Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et...) Relativiste, Théories, Expériences, Metrologie, Instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :), Signaux (ARTEMIS, CNRS/Univ. Côte d'Azur/Obs. de la côte d'Azur)

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Source illustration: CNRS/INP