Ondes gravitationnelles: un nouveau laser très prometteur pour Virgo

Publié par Adrien le 05/02/2021 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
Depuis l'arrêt de la prise de données en avril 2020, scientifiques et ingénieurs se relaient auprès du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo pour en améliorer les performances. Première étape importante franchie en décembre, l'installation d'un nouveau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) qui va doubler la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) lumineuse en entrée de l'interféromètre. Raffaele Flaminio, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au LAPP et chef de projet (Un chef de projet, en informatique est la personne chargée de contrôler le bon déroulement du...) pour la construction d'Advanced Virgo + nous en dit plus.


Simulation d'ondes gravitationnelles générées par la rotation de deux corps massifs l'un autour de l'autre.

Quelles sont les caractéristiques du nouveau laser installé sur Virgo ?

Il s'agit d'un laser à fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...), mis au point (Graphie) au laboratoire Artemis à Nice, et qui vient augmenter significativement la puissance lumineuse injectée dans Virgo. Lors des premiers tests en décembre nous avons atteint une puissance injectée dans l'interféromètre de 50 W, soit le double de ce qui était injecté lors de la précédente prise de donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...), et 10 W de plus que la puissance qui sera nécessaire à la prochaine campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...). C'est donc un grand pas.

Cette puissance semble étonnamment modeste au regard de ce que peuvent faire les lasers ?

Oui 40W est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) juste la puissance d'une lampe de bureau, mais les lasers utilisés par Virgo doivent être particulièrement stables. Le chalenge est de produire une armée de deux cent milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) de milliard de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) qui se propagent tous dans la même direction et avec exactement la même longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...). Ce nouveau laser permet de produire plus de 100 W avec la stabilité requise. En réduisant aussi les pertes dans le système d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) il a été possible d'atteindre 50 W à l'entrée de l'interféromètre.


Raffaele Flaminio, chercheur au Laboratoire d'Annecy de Physique des particules (LAPP), est chef de projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) pour la construction d'Advanced Virgo +.
En quoi cette montée en puissance va améliorer la détection ?

Lorsque l'on augmente la puissance, cela revient à multiplier le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de photons injectés simultanément dans l'interféromètre et à diminuer l'incertitude statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) sur la mesure de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) en sortie d'instrument. Cette incertitude, causée par ce que l'on appelle le "bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) de grenaille des photons", détériore la sensibilité de l'interféromètre à des phénomènes dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) dépasse la centaine de Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...). C'est le cas par exemple pour les fusions d'étoiles à neutrons que l'on pourra maintenant étudier avec beaucoup plus de précision.

D'autres améliorations sont-elles prévues pour Virgo ?

Ce changement de laser fait partie d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) d'améliorations appelé Advanced Virgo + et auquel contribuent tous les laboratoires de la collaboration Virgo [1]. Parmi ces améliorations il y a la mise en place d'un nouveau miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme...) suspendu à la sortie du détecteur, appelé miroir de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui...) du signal. Ce miroir a été installé l'an dernier et il permettra, lui aussi, d'élargir la bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la...) de Virgo. Il s'agit maintenant de mettre en place le système de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) nécessaire pour que Virgo puisse fonctionner dans cette nouvelle configuration. En parallèle, pour optimiser la sensibilité aux basses fréquences, nous installons un nouveau système optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) afin d'injecter dans le détecteur des états comprimés du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) dont la compression dépend de la fréquence [2]. Cela permettra de réduire d'avantage le "bruit de grenaille des photons", tout en réduisant aussi les effets de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) exercée par les photons sur les miroirs.

Quand VIRGO doit-il redémarrer et quels gains de performances sont attendus ?

La prochaine prise de données doit débuter à l'été 2022. Notre objectif est que Virgo puisse à cette date détecter des coalescences d'étoiles à neutrons jusqu'à des distances d'environ 100 Mpc, deux fois plus loin que pendant la dernière prise de données. À plus long terme nous nous préparons pour la Phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) II d'Advanced Virgo+, pendant laquelle, en changeant les miroirs, nous espérons doubler encore cette "distance horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...)" de Virgo.


Nouveau laser à fibre de 100W installé à l'occasion de la phase d'amélioration Advanced Virgo + / Image: EGO/Virgo

Notes:

[1] https://apps.virgo-gw.eu/vmd/public/institutions

[2] https://physics.aps.org/articles/v13/s55
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