Les chercheurs ont créé un nouveau dispositif à base de miroir magnétique qui pourrait un jour aider les cosmologues à découvrir de nouveaux détails sur les ondulations dans l'espace-temps connues sous le nom d'ondes gravitationnelles, en particulier ceux émis lorsque l'univers était extrêmement jeune.

Le nouveau travail fait partie d'une collaboration multi-institutionnelle financée par le programme de recherche technologique de l'Agence spatiale européenne (ESA) pour développer les technologies nécessaires aux futures expériences telles que le programme de mission satellite Cosmic Origins Explorer proposé. Cette mission spatiale vise à acquérir une haute précision, des cartes du ciel plein du fond diffus cosmologique - l'émission relique qui a survécu depuis le Big Bang.

Le fond diffus cosmologique a fait l'objet d'intenses recherches depuis sa découverte il y a environ 50 ans. Ces dernières années ont vu une attention accrue sur les composants polarisés de ce fond de micro-ondes - en particulier un composant appelé mode B, qui est censé détenir la clé de l'information sur les ondes gravitationnelles primordiales et les processus physiques qui se sont produits très tôt dans l'histoire de l'univers.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique appliquée , les chercheurs ont démontré un nouveau type de modulateur de polarisation basé sur un miroir magnétique. Le nouveau dispositif pourrait surmonter un défi majeur pour détecter la polarisation en mode B - la capacité de moduler la polarisation des micro-ondes sur une large gamme de fréquences. Le fonctionnement à large bande est nécessaire pour discriminer spectralement la polarisation extrêmement faible du mode B du rayonnement de premier plan d'autres sources astrophysiques.

"Nous, comme les autres, travaillent depuis plus de deux décennies au développement de technologies permettant la détection de la polarisation en mode B, " a déclaré Giampaolo Pisano, Université de Cardiff, ROYAUME-UNI, premier auteur de l'article. "Cela s'est avéré être un problème difficile car seule une infime partie du signal global présente cette polarisation."

Développer la technologie

Un élément clé pour détecter le rayonnement en mode B est une lame demi-onde, un dispositif utilisé pour moduler la polarisation du rayonnement électromagnétique. La rotation de la lame demi-onde fait également tourner la polarisation du rayonnement, créant un motif oscillant qui peut être distingué du signal constant de rayonnement non polarisé.

Les implémentations précédentes de ces plaques demi-onde ont abouti à des dispositifs intrinsèquement à bande étroite en raison soit des propriétés optiques des matériaux disponibles, soit de la conception utilisée. Le fonctionnement sur une large gamme de longueurs d'onde est crucial pour distinguer la polarisation en mode B provenant de l'univers primitif des signaux provenant d'autres sources.

"La plupart des efforts de développement technologique ont visé à fabriquer des composants optiques qui fonctionnent sur des bandes passantes plus larges, " a déclaré Pisano. " Un dispositif qui couvre une large gamme de fréquences améliorerait considérablement les performances d'une instrumentation spatiale complexe. "

Dans le nouveau travail, Pisano et ses collègues ont essayé une approche complètement nouvelle qui utilise des métamatériaux - des matériaux artificiels conçus avec des caractéristiques que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels - pour créer un miroir magnétique qu'ils ont combiné avec une grille de fil polarisante.

« Les métamatériaux nous ont permis d'inventer un matériau avec les caractéristiques dont nous avions besoin, " a déclaré Pisano. " Parce que l'approche que nous avons utilisée est nouvelle, cela nous a permis de surmonter les limites de la gamme de fréquences auxquelles d'autres chercheurs ont été confrontés."

Leur nouvelle méthode tire parti du fait que la réflexion d'une surface magnétique artificielle sera déphasée par rapport à celle d'un conducteur électrique parfait, ou en métal. L'ajout de la grille métallique au miroir magnétique permet une polarisation de "voir" la grille métallique, tandis que le rayonnement polarisé orthogonalement se réfléchit sur le miroir magnétique. Le dispositif résultant peut modifier la polarisation sur une large gamme de fréquences micro-ondes.

Le prototype de dispositif présenté dans l'article fonctionne d'environ 100 à 400 gigahertz avec une efficacité de plus de 90 pour cent, ce qui signifie que moins de 10 pour cent du signal a été perdu. Les chercheurs disent qu'avec quelques ajustements mineurs, ils s'attendent à obtenir une bande passante encore plus grande et une efficacité plus élevée.

Se préparer pour l'espace

À 20 centimètres de diamètre, le prototype de l'appareil est une version miniaturisée de celui qui pourrait finalement être nécessaire pour le satellite Cosmic Origins Explorer. Les chercheurs travaillent maintenant au développement d'une version demi-mètre, dans le but ultime de développer un appareil final de plus d'un mètre de diamètre. La fabrication d'un appareil aussi grand avec la précision nécessaire nécessitera de nouvelles installations et de nouvelles méthodes de manipulation de l'appareil au cours des différentes étapes de fabrication, développements qui, selon les chercheurs, seront probablement aussi difficiles que le développement du concept initial.

« Maintenant que nous avons démontré le concept, nous devons effectuer des tests de qualification spatiale pour démontrer sa robustesse pour un lancement de satellite, ", a déclaré Pisano. "Nous devons également le déployer dans des instruments de détection en mode B basés au sol pour démontrer sa facilité d'utilisation sur le terrain."