Des chercheurs de l'Observatoire astronomique national du Japon (NAOJ) ont utilisé l'infrastructure de l'ancien détecteur d'ondes gravitationnelles TAMA300 à Mitaka, Tokyo, pour démontrer une nouvelle technique pour réduire le bruit quantique dans les détecteurs. Cette nouvelle technique augmentera la sensibilité des détecteurs constituant un réseau mondial collaboratif d'ondes gravitationnelles, leur permettant d'observer des ondes plus faibles.

Lorsqu'il a commencé ses observations en 2000, TAMA300 a été l'un des premiers détecteurs d'ondes gravitationnelles interférométriques à grande échelle au monde. A cette époque, le TAMA300 avait la sensibilité la plus élevée au monde, fixer une limite supérieure sur la force des signaux d'ondes gravitationnelles ; mais la première détection d'ondes gravitationnelles réelles a été faite 15 ans plus tard en 2015 par LIGO. Depuis, la technologie des détecteurs s'est améliorée au point que les détecteurs modernes observent plusieurs signaux par mois. Les résultats scientifiques obtenus à partir de ces observations sont déjà impressionnants, et bien d'autres sont attendus dans les décennies à venir. TAMA300 ne participe plus aux observations, mais est toujours utilisé comme banc d'essai pour les nouvelles technologies afin d'améliorer d'autres détecteurs.

La sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels et futurs est limitée à presque toutes les fréquences par le bruit quantique causé par les effets des fluctuations du vide des champs électromagnétiques. Mais même ce bruit quantique inhérent peut être contourné. Il est possible de manipuler les fluctuations du vide pour redistribuer les incertitudes quantiques, diminuer un type de bruit au détriment d'en augmenter un autre, type de bruit moins gênant. Cette technique, connu sous le nom de compression sous vide, a déjà été mis en œuvre dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles, augmentant considérablement leur sensibilité aux ondes gravitationnelles à plus haute fréquence. Mais l'interaction optomécanique entre le champ électromagnétique et les miroirs du détecteur fait changer l'effet de compression du vide en fonction de la fréquence. Donc aux basses fréquences, la compression du vide augmente le mauvais type de bruit, en fait dégrader la sensibilité.

Pour surmonter cette limitation et obtenir un bruit réduit à toutes les fréquences, une équipe du NAOJ composée de membres du projet interne Gravitational Wave Science et de la collaboration KAGRA (mais comprenant également des chercheurs des collaborations Virgo et GEO) a récemment démontré la faisabilité d'une technique connue sous le nom de compression du vide dépendant de la fréquence aux fréquences utile pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles. Parce que le détecteur lui-même interagit avec les champs électromagnétiques différemment selon la fréquence, l'équipe a utilisé l'infrastructure de l'ancien détecteur TAMA300 pour créer un champ qui lui-même varie en fonction de la fréquence. Un champ de vide comprimé normal (indépendant de la fréquence) est réfléchi par une cavité optique de 300 mètres de long, telle qu'une dépendance en fréquence est imprimée et qu'elle est capable de contrecarrer l'effet optomécanique de l'interféromètre.

Cette technique permettra d'améliorer la sensibilité aux hautes et basses fréquences simultanément. Il s'agit d'un résultat crucial démontrant une technologie clé pour améliorer la sensibilité des futurs détecteurs. Sa mise en œuvre, prévu comme une mise à niveau à court terme, avec d'autres améliorations, devrait doubler la portée d'observation des détecteurs de deuxième génération.

Ces résultats apparaîtront comme Zhao, Y., et al. « Source de vide comprimé dépendant de la fréquence pour la réduction du bruit quantique à large bande dans les détecteurs avancés d'ondes gravitationnelles » dans Lettres d'examen physique le 28 avril, 2020. Un résultat similaire a été obtenu par un groupe du MIT utilisant une cavité de filtre de 16 m, et les deux articles seront publiés conjointement.