Un capteur de vibration de pointe peut améliorer la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles pour trouver les plus petites ondes cosmiques du bourdonnement de fond du mouvement de la Terre.

Au cours de son doctorat, chercheur postdoctoral Joris van Heijningen du Centre d'excellence ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav), développé le capteur de vibrations inertielles le plus sensible au monde. Maintenant, il propose un design similaire, mais 50 fois plus sensible, à des fréquences inférieures à 10 Hz, utilisant des températures cryogéniques.

Ce nouveau capteur mesure des vibrations aussi petites que quelques femtomètres (un millionième de milliardième de mètre) avec une période de 10 à 100 millisecondes (10 Hz à 100 Hz). L'article récemment publié dans IOP's Journal de l'instrumentation révèle un prototype de la prochaine génération de systèmes d'isolation sismique avec une sensibilité jusqu'à 1 Hz, en utilisant des températures cryogéniques - inférieures à 9,2 degrés et supérieures au zéro absolu.

Même si nous ne pouvons pas le sentir, notre planète vibre toujours un tout petit peu en raison de nombreux événements différents, à la fois cosmique et terrestre; par exemple, des ondes gravitationnelles (infimes ondulations dans l'espace-temps); les vagues de l'océan s'écrasent sur le rivage ; ou l'activité humaine. Selon le Dr van Heijningen, certains endroits vibrent plus que d'autres et, si vous tracez ces vibrations, ils se situent entre deux lignes appelées Peterson Low Noise Models (LNM/HNM).

Les meilleurs capteurs de vibrations commerciaux ont été développés pour avoir une sensibilité inférieure au LNM. Ils sont suffisamment sensibles pour mesurer tous les endroits sur Terre avec un rapport signal/bruit décent, " dit van Heijningen.

À ce jour, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), avec ses bras longs de quatre kilomètres, utilise des systèmes d'isolation sismique pour empêcher les vibrations terrestres d'affecter les mesures scientifiques ; cependant, les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles exigent des capteurs de vibrations plus avancés et plus précis.

Les scientifiques travaillent déjà sur une troisième génération de détecteurs qui auront le pouvoir de détecter des centaines de fusions de trous noirs chaque année, mesurant leurs masses et leurs spins, encore plus que LIGO, ou son équivalent européen, Vierge, peut mesurer.

Aux Etats-Unis, il y aura le Cosmic Explorer :un observatoire de 40 kilomètres qui pourra détecter des centaines de milliers de fusions de trous noirs chaque année. Tout aussi impressionnant sera le télescope Einstein en Europe, avec ses 10 kilomètres armés, configuration triangulaire construite sous terre.

Les futurs détecteurs pourront mesurer les ondes gravitationnelles à des fréquences inférieures à la coupure actuelle ~10 Hz, « parce que c'est là que se cachent les signaux des collisions de trous noirs, " explique van Heijningen. Mais l'un des principaux problèmes de ces énormes détecteurs est qu'ils doivent être extrêmement stables - la moindre vibration peut gêner les détections.

« Le fait de rapprocher le système de zéro degré Kelvin (qui est de 270 degrés en dessous de zéro Celsius) réduit considérablement le soi-disant bruit thermique, qui domine dans les basses fréquences. La température est une vibration des atomes dans un certain sens, et cette minuscule vibration provoque du bruit dans nos capteurs et détecteurs, " dit van Heijningen.

Les futurs détecteurs devront se refroidir à des températures cryogéniques, mais ce n'est pas une mince affaire. Une fois que les scientifiques y parviennent, l'exploitation de l'environnement cryogénique améliorera les performances des capteurs suite à la conception de cette proposition. A son nouveau poste de chercheur à l'UCLouvain en Belgique, van Heijningen prévoit de prototyper cette conception de capteur et de tester ses performances pour le télescope Einstein.