Les détecteurs d'ondes gravitationnelles unissent leurs forces pour une nouvelle année de chasse au signal
Publié par Adrien le 01/04/2019 à 14:00
Source: CNRS IN2P3
Cascina (Pise, Italie) - Les détecteurs Virgo et LIGO sont prêts à démarrer un nouveau cycle d'observation appelé O3, durant une année entière. Le départ de la chasse aux ondes gravitationnelles est prévu pour ce 1er avril, lorsque le 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...) européen Virgo, basé en Italie à l'Observatoire européen de la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (EGO), et les détecteurs jumeaux LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.), situés dans l'état de Washington et de Louisiane (USA), commenceront à prendre ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) les données et deviendront ainsi l'observatoire d'onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui...) le plus sensible à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...).

Pendant un an, la collaboration LIGO-Virgo enregistrera les données scientifiques en continu et les trois détecteurs fonctionneront comme un observatoire global. Depuis août 2017, fin du deuxième cycle d'observations O2, les deux collaborations ont travaillé intensivement sur leurs interféromètres pour en améliorer la sensibilité et la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.). Les scientifiques ont également amélioré l'analyse de leurs données en ligne et hors ligne, et développé les procédures de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition »...) d'alertes publiques ouvertes: en quelques minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée...), ils avertiront les communautés de 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...) et de l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la mécanique...) lorsqu'un événement potentiel d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) gravitationnelle est observé.


Un miroir Virgo à l'intérieur de sa cage de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.). Le miroir et la cage de commande sont tous deux suspendus à un “superatténuateur” Virgo. Une couche de polymère protecteur (visible en rose) recouvre encore le miroir, empêchant la contamination par la poussière pendant l'installation. Sur la gauche, deux miroirs sont visibles. Ceux-ci font partie du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension...) qui surveille les minuscules déformations thermiques du miroir de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) d'essai survenant pendant le fonctionnement. Des panneaux à revêtement noir enrobent les éléments optiques pour absorber la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) parasite résiduelle. Crédits: EGO/Virgo Collaboration/Perciballi

"Avec nos trois détecteurs maintenant opérationnels à une sensibilité nettement améliorée, le 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...) global de détecteurs LIGO-Virgo devrait permettre plusieurs nouvelles détections. De plus, il permettra une triangulation (En géométrie et trigonométrie, la triangulation est une technique permettant de déterminer la position d'un point en mesurant les angles entre...) précise des sources d'ondes gravitationnelles. Ce sera un pas important dans notre quête de l'astronomie multi-messagers.", déclare Jo van den Brand, du Nikhef (l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) national néerlandais de physique subatomique) et de VU University Amsterdam, porte-parole de la collaboration Virgo.

"Passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) de l'ère pionnière, qui a conduit à une découverte historique, à l'ère actuelle de l'observatoire où l'interféromètre et l'infrastructure devront fonctionner sans faille pendant 24 heures (L'heure est une unité de mesure  :), sept jours par semaine pendant toute une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), a été et reste un défi de taille", déclare Stavros Katsanevas, directeur d'EGO. "Je suis toutefois convaincu que nous relèverons ce défi avec le même succès que le précédent."

La sensibilité du détecteur est généralement donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) en termes de distance à laquelle il peut observer la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) d'un système stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90...) à neutrons binaires. "Pendant le cycle O2, Advanced Virgo a pu observer des événements d'étoiles à neutrons jusqu'à une distance de 88 millions d'années-lumière", explique Alessio Rocchi, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) à l'INFN et coordinateur de la mise en service de Virgo. "Les collaborations LIGO et Virgo ont travaillé à l'amélioration de la sensibilité des détecteurs, en exploitant également les mises à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...) installées sur les interféromètres. En ce qui concerne O2, la sensibilité de Virgo s'est améliorée d'environ un facteur 2, ce qui signifie que le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de l'Univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite de cette partie visible est située à l'horizon cosmologique. Du fait que notre...) a augmenté d'un facteur 8", conclut Rocchi.

"La qualité des données enregistrées par les instruments est déterminante pour détecter les signaux d'ondes gravitationnelles cachés dans 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...) et pour mesurer leurs propriétés", explique Nicolas Arnaud, chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) actuellement détaché auprès d'EGO et responsable du groupe Caractérisation du détecteur Virgo. "Beaucoup de progrès ont été réalisés dans cette direction depuis O2, grâce à l'effort combiné de l'ensemble de la collaboration, du détecteur à l'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister entre les différentes...).".

Les résultats scientifiques de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'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...) O3 devraient être extraordinaires et révéler de nouveaux signaux prometteurs provenant de sources inédites, telles que la fusion de binaires mixtes produite par un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à...) et une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de...) à neutrons. O3 ciblera également les ondes gravitationnelles de longue durée, générées par exemple par la rotation d'étoiles à neutrons qui ne sont pas symétriques par rapport à leur axe ; cependant, la détection de tels signaux représente toujours un immense défi à relever, et la collaboration LIGO-Virgo progresse pour y parvenir.

De plus, grâce aux mises à jour de Virgo et de LIGO, les signaux de fusion de trous noirs binaires comme GW150914, le premier événement gravitationnel jamais détecté, devraient devenir très courants, peut-être jusqu'à un par semaine. Les scientifiques s'attendent également à observer plusieurs fusions d'étoiles à neutrons binaires, comme GW170817 qui a ouvert l'ère de l'astronomie multi-messagers et permis de mieux comprendre l'évolution de binaire, la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :), la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) et la physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.).

"Le nouveau logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont inclus...) que nous avons développé est capable d'envoyer des alertes publiques ouvertes en cinq minutes", explique Sarah Antier, postdoctorante à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...) Diderot et responsable du programme de suivi multi-messagers des événements d'ondes gravitationnelles de la Collaboration Virgo. "Cela permettra de suivre 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 employés depuis la nuit des temps...) 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 transporter de matière. Une onde...) gravitationnelle avec des recherches de neutrinos et/ou électromagnétiques, qui peuvent conduire à des découvertes multi-messagers. 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...) de nombreux signaux que nous attendons pendant O3 nous donnera un recensement (Le recensement est une opération statistique de dénombrement d'une population.) de la population de masse stellaires rémanentes et une meilleure compréhension de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) violent."

Depuis août 2017, LIGO et Virgo ont été mis à jour et testés. En ce qui concerne Virgo, les fils d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction...) utilisés pendant O2 pour suspendre les quatre miroirs principaux de l'interféromètre de 3 km de long ont été complétement remplacés: les miroirs sont maintenant suspendus avec de fines fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) fondue ("verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...)"), procédure qui a permis d'augmenter la sensibilité dans la région des basses et moyennes fréquences, et a un impact considérable dans la capacité à détecter la fusion des systèmes binaires compacts. Une deuxième amélioration majeure a été l'installation d'une source laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) plus puissante, qui améliore la sensibilité aux hautes fréquences. Enfin et surtout, des états comprimés de la lumière sont maintenant utilisés dans Advanced Virgo, grâce à une collaboration avec l'Institut Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement...) de Hanovre, en Allemagne. Cette technique tire parti de la nature quantique de la lumière et améliore la sensibilité aux hautes fréquences.

L'utilisation de ces états comprimés est une mise à niveau majeure également déployée dans les deux interféromètres LIGO aux États-Unis pour ce prochain cycle d'observations. La puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du laser y a été doublée pour mesurer plus précisément l'effet du passage des ondes gravitationnelles. D'autres améliorations ont été apportées aux miroirs de LIGO sur les deux sites, avec au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le total n'est pas forcément...) cinq des huit miroirs remplacés par des versions plus performantes.

"Nous avons dû briser les fibres qui retenaient les miroirs, retirer très soigneusement les optiques pour les remplacer", explique Calum Torrie, responsable de l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une...) mécano-optique de LIGO chez Caltech. "C'était une immense opération d'ingénierie."

Pendant O3, la Collaboration LIGO-Virgo continuera à communiquer les nouvelles découvertes à la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur...) ainsi qu'au grand public. De plus, les scientifiques continueront à extraire tous les résultats physiques possibles des données.

Le réseau mondial LIGO-Virgo permettra de localiser rapidement les signaux d'ondes gravitationnelles et de diffuser au public les événements fiables grâce au système d'alerte publique ouverte, afin de valoriser la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au...) que la communauté entière de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) peut réaliser grâce à la détection d'onde gravitationnelle, et de réduire le risque de manquer les événements électromagnétiques et de neutrinos équivalents.

Le détecteur japonais KAGRA devrait rejoindre le réseau mondial LIGO-Virgo dans la dernière partie de l'O3, étendant ainsi les capacités de détection et de pointage du réseau mondial.

Les collaborations LIGO et Virgo

LIGO est financé par NSF et opéré par Caltech et MIT, qui ont conçu LIGO et dirigé les projets Initial et Advanced LIGO. Le soutien financier du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) Advanced LIGO a été assuré par NSF avec l'Allemagne (Max Planck Society), le Royaume-Uni (Science and Technology Facilities Council) et l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de l'Océanie. En plus de...) (Australian Research Council-OzGrav) ayant pris des engagements et contribué de façon importante au projet. Près de 1 300 scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier participent à cet effort dans le cadre de la Collaboration scientifique du LIGO, qui comprend la Collaboration GEO (Geo était une marque de voiture qui appartenait à General Motors. La marque est apparue en 1989 aux États-Unis et elle fut absorbée par Chevrolet en 1998....). Une liste d'autres partenaires est disponible à l'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités. Pour qu'il n'y ait pas...)https://my.ligo.org/census.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur HTTP, mais pouvant également fonctionner comme n'importe quel langage...).

La Collaboration Virgo est actuellement composée d'environ 350 scientifiques, ingénieurs et techniciens d'environ 70 instituts de Belgique, France, Allemagne, Hongrie, Hongrie, Italie, Pays-Bas, Pologne et Espagne. L'Observatoire européen de la gravitation (EGO) héberge le détecteur Virgo près de Pise en Italie et est financé par le Centre national de la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) (CNRS) en France et l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie, avec des contributions majeures des Pays-Bas (Nikhef), de la Pologne et la Hongrie. Une liste des groupes de la Collaboration Virgo peut être consultée http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration. De plus amples informations sont disponibles sur le site web (Un site Web est un ensemble de pages Web hyperliées entre elles et mises en ligne à une adresse Web. On dit aussi site Internet par métonymie, le World...) de Virgo à l'adresse http://www.virgo-gw.eu
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