Grâce à une conception innovante du laser annulaire, Les géophysiciens du LMU peuvent désormais mesurer et surveiller la rotation de la Terre avec une précision sans précédent. Le nouvel instrument de Fürstenfeldbruck sera officiellement inauguré cette semaine.

Le monde a jusqu'ici relativement peu prêté attention à Fürstenfeldbruck, une ville située à environ 20 km de Munich. Il n'est certainement pas considéré comme un point chaud pour la science de pointe. Mais cela est sur le point de changer. Car les géophysiciens basés au LMU et à l'Université technique de Munich (TUM) y ont construit un instrument qui établit une nouvelle norme dans son domaine. Enterré dans un bunker souterrain construit au milieu des terres cultivées et des champs ouverts, l'appareil occupe plusieurs centaines de mètres cubes d'espace. Son objectif est de mesurer les mouvements de rotation du sol avec une sensibilité et une précision supérieures à celles de toute autre machine existante.

Même les éditeurs de la principale revue de recherche Science sont clairement impressionnés par les dimensions – et les capacités – du nouvel instrument. Dans un article d'actualité paru dans un récent numéro du magazine, le nouveau laser annulaire est considéré comme l'instrument "le plus sophistiqué" de son genre au monde. Le chef du projet ROMY (Rotational Motions in Seismology) est Heiner Igel, Professeur de sismologie au LMU. Le concept lui a valu l'une des bourses Advanced Investigator Grants, richement dotées, décernées par le Conseil européen de la recherche (ERC), et le LMU a continué à fournir les fonds supplémentaires nécessaires à sa réalisation finale. Les premiers tests et expérimentations ont été concluants, et l'instrument sera officiellement mis en service cette semaine.

Notre planète agitée

Les lasers annulaires sont extrêmement sensibles au mouvement de rotation. Ils peuvent, par exemple, mesurer la rotation de la Terre avec une précision extrêmement élevée. Notre planète n'est jamais au repos, tournant sur son propre axe tous les jours et en orbite autour du Soleil une fois par an. Mais il ne suit pas exactement le même cours année après année. Sa trajectoire est sujette à des écarts minimes. En réalité, il se comporte comme une toupie d'enfant :ni l'orientation de son axe ni la vitesse de sa rotation ne sont constantes. Elle est secouée par des vents forts dans la haute atmosphère et par des courants océaniques en profondeur, et des tremblements de terre massifs le dérèglent. Mais alors, la Terre elle-même est tout sauf une sphère parfaite. Pas étonnant qu'il ne respecte pas l'idéal du mouvement circulaire parfait qu'Aristote lui a prescrit un jour.

De plus, quantifier les variations minimes des nombreuses composantes différentes des mouvements de la Terre n'est pas uniquement une question d'intérêt académique. Par exemple, tous les systèmes de navigation basés sur le GPS doivent être périodiquement recalibrés afin de tenir compte de ces variations, ce qui, autrement, donnerait lieu à des erreurs importantes dans la détermination de sa position sur le globe. Cette tâche est actuellement réalisée à l'aide de l'interférométrie à très longue base (VLBI), qui utilise un réseau de radiotélescopes pour déterminer les distances entre la Terre et des quasars sélectionnés dans l'espace lointain qui se trouvent à des millions d'années-lumière de nous. Mais cette méthode est compliquée et il faut des jours pour arriver au résultat final. Les chercheurs munichois pensent que leur nouveau laser annulaire leur permettra d'atteindre au moins la même précision en beaucoup moins de temps. S'ils ont raison, les résultats pourraient être mis à jour en quelques secondes plutôt qu'en quelques jours.

Mais ce n'est qu'une petite partie de la vision de Heiner Igel pour le nouvel instrument haut de gamme. – Il entend ouvrir une toute nouvelle dimension en sismologie en l'utilisant pour effectuer des analyses plus détaillées des mouvements du sol induits par les séismes. Car lorsqu'un tremblement de terre se produit, le sol ne secoue pas seulement de haut en bas, et d'avant en arrière. Les tremblements se caractérisent également par des mouvements d'inclinaison et de rotation autour d'un point fixe. Jusque là, les sismologues ont dû ignorer de tels mouvements, simplement parce que les sismomètres conventionnels ne fournissent aucun moyen de les mesurer. Cependant, Igel pense – contrairement aux idées reçues – qu'une image réaliste et complète des mouvements du sol lors des tremblements de terre nécessite l'acquisition et l'intégration de ces informations.

En effet, lui et ses collègues espèrent que le nouveau laser annulaire apportera des réponses à toute une série de questions ouvertes. Par exemple, les capteurs de rotation peuvent mesurer l'ampleur des mouvements du sol d'inclinaison et de rotation, dont les ingénieurs structurels ont besoin pour améliorer la stabilité des bâtiments dans les zones sismiques. Les capteurs de rotation peuvent également fournir des données qui donnent un aperçu de la dynamique anormale du magma dans les volcans actifs, et ainsi servir à améliorer la qualité des études de modélisation correspondantes. En combinaison avec d'autres méthodes, de telles mesures permettent aux géophysiciens de sonder les propriétés et la dynamique de l'intérieur de la Terre, Igel explique. Et ce n'est pas tout. ROMY promet également de jeter un nouvel éclairage sur la façon dont les océans du monde interagissent physiquement avec la planète, le faisant osciller en permanence.

Le principe sur lequel repose le fonctionnement de l'instrument a été démontré pour la première fois par le physicien français Georges Sagnac peu avant le déclenchement de la Première Guerre mondiale :il a montré qu'un faisceau de lumière est dirigé autour d'un parcours fermé (à l'aide de miroirs), le temps qu'il faut pour boucler un circuit est indépendant du sens dans lequel il se propage. Cependant, si l'appareil est tourné, le faisceau se déplaçant dans le même sens que la rotation prend un peu plus de temps pour chaque tour – car il doit couvrir une plus grande distance qu'un faisceau transmis dans la direction opposée. En raison de cette différence de longueur de trajet, deux faisceaux contra-propagatifs seront déphasés l'un par rapport à l'autre et, une fois recombiné, ils produisent un motif d'interférence typique. Exactement de la même manière, lorsque deux notes légèrement désaccordées sont jouées ensemble, ils produisent une note de battement caractéristique qui varie régulièrement en hauteur. De plus, la vitesse de rotation peut être calculée à partir de la fréquence de la note de battement produite lorsque les faisceaux contra-propagatifs sont superposés.

Igel et le physicien laser Ulrich Schreiber du TUM ont utilisé ce principe dans leur conception de ROMY pour mesurer les mouvements de rotation ou d'inclinaison. Dans ce cas, les faisceaux laser se propagent selon non pas un mais quatre axes. Chacun des quatre chemins lumineux forme les bords d'un triangle équilatéral de 12 m de côté, A chaque sommet, la lumière est déviée par des miroirs, dont les positions peuvent être ajustées avec une grande précision. Ensemble, les quatre anneaux forment les faces d'un régulier, tétraèdre inversé dont le sommet se trouve à 15 m sous terre. Cette configuration permet aux scientifiques de mesurer les mouvements de rotation dans toutes les directions.

Cinq km de fibre optique, étroitement enroulé

"Il nous a fallu deux ans pour trouver comment le construire, " dit Igel. Pour assurer une haute sensibilité, les lasers annulaires doivent être protégés des interférences environnementales. Par exemple, afin de protéger l'instrument des eaux souterraines, il était enfermé dans une coque en béton tétraédrique – comme une plante dans un pot de fleurs. Igel s'est rendu compte très tôt qu'il avait besoin d'avoir son collègue du TUM à bord pour faire du projet un succès - car Schreiber avait déjà conçu et construit plusieurs systèmes laser annulaire en Allemagne, Nouvelle-Zélande, les États Unis, Italie et ailleurs. ROMY, cependant, est sans aucun doute son chef d'oeuvre. L'intégration de la mécanique de précision commandée par ordinateur dans un instrument de 12 m de dimension requiert un nouveau niveau de minutie.

Pendant ce temps, l'instrument n'a pas seulement été testé et calibré, il a déjà effectué toute une série de mesures qui serviront de base à plusieurs publications. Par exemple, une partie des répliques observées après la série de tremblements de terre à Norcia en Italie centrale en octobre 2016 ont été caractérisées, ainsi que le bruit sismique généré par les océans de la Terre.

Enregistrement des mouvements d'inclinaison et de rotation jusqu'alors non quantifiables sur le terrain, c'est-à-dire à proximité du foyer sismique d'un séisme, nécessitera l'utilisation d'instruments portables, Igel dit – et les chercheurs responsables de ROMY ont déjà fait un grand pas vers cet objectif. Ils se sont associés à une société spécialisée en France pour développer un capteur portable à base de fibre optique, et les premiers prototypes ont été exposés lors d'une grande conférence sur les géosciences qui s'est tenue à Vienne en avril. Ces instruments utilisent une fibre optique extrêmement fine de 5 km de long, qui est enroulé sur une bobine :« Un vrai jalon, " Igel s'enthousiasme. Les premières mesures effectuées en Italie centrale, et sur l'île volcanique de Stromboli au large de la côte nord de la Sicile « semblez bien, " il dit.

Les pionniers munichois espèrent que d'autres suivront l'exemple de ROMY. Si c'est le cas, nous devrions un jour disposer d'un réseau mondial de sismomètres à laser annulaire qui pourra enfin nous fournir une image vraiment complète de la dynamique des mouvements de la Terre. Dans un tel réseau, L'anneau de Fürstenfeldbruck servirait de nœud essentiel - un point chaud, pour ainsi dire.