Les scientifiques de Stanford dirigeront un nouvel effort national de coopération, le LIGO Scientific Collaboration Center for Coatings Research, pour améliorer la détection des ondes gravitationnelles dans les installations jumelles LIGO.

LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser, a un problème d'échelle :des événements qui ont fait trembler les galaxies, comme la collision récemment révélée de deux étoiles à neutrons, se sont produits si loin que les échos ont mis 130 millions d'années à voyager jusqu'à notre planète. Une collision de trous noirs détectée en 2015 était encore plus loin, 1,3 milliard d'années-lumière.

Au moment où les effets de ces événements massifs atteignent la Terre, ils sont suffisamment petits pour ne pouvoir être détectés qu'à l'aide de l'équipement le plus sensible que les scientifiques puissent concevoir. Changements de distance (tels que détectés sur les bras tentaculaires de quatre kilomètres de LIGO) causés par les ondes gravitationnelles, a déclaré le chercheur de Stanford Riccardo Bassiri, sont « mille fois plus petites que la taille d'un noyau atomique ».

Tout "bruit" ou désordre moléculaire introduit par les miroirs peut complètement masquer les faibles signaux provenant de sources d'ondes gravitationnelles distantes.

"C'est assez incroyable, ce quatre kilomètres, énorme pièce de machinerie - et les revêtements sur les miroirs jouent ce rôle clé dans le nombre d'événements d'ondes gravitationnelles que nous pouvons observer, " dit Bassiri. A la fin, la sensibilité des interféromètres massifs de LIGO est limitée par les vibrations à l'échelle atomique des molécules dans les miroirs qui reflètent les puissants lasers des installations. Ces vibrations sont connues collectivement sous le nom de bruit thermique brownien. Selon Bassiri, ce sera la source de bruit dominante limitant la sensibilité de LIGO, et un défi majeur pour les générations futures des installations.

L'objectif du nouveau centre, comprenant 10 institutions américaines et dirigée à Stanford par Martin Fejer, professeur de physique appliquée, sera d'améliorer la sensibilité de LIGO avec de meilleurs revêtements pour ses interféromètres. Les chercheurs espèrent avoir de nouveaux matériaux prêts à temps pour la prochaine mise à jour des installations LIGO dans les trois ans à venir. S'ils réussissent et divisent par deux la quantité de bruit thermique des revêtements de miroir, ils pourraient augmenter le volume de l'univers que LIGO peut observer huit fois par rapport aux capacités actuelles.

Les revêtements en question sont composés de plusieurs couches ne dépassant pas quelques centaines de nanomètres d'épaisseur chacune - des centaines de fois plus fines qu'un cheveu humain. Autrefois, les chercheurs ont suivi un processus itératif, créer un nouveau revêtement puis le tester, en espérant améliorer les versions précédentes.

Grâce au nouveau centre, Stanford dirigera des chercheurs et des installations à travers le pays dans ce qu'ils espèrent être une approche plus ciblée. Par exemple, travailler avec des collaborateurs de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC National Accelerator Laboratory, les scientifiques peuvent inspecter les revêtements de miroirs nouvellement conçus à un niveau atomique.

Avec cette masse critique de financement et de participation, "plutôt que de suivre cette approche édisonienne d'essais et d'erreurs, nous pouvons arriver à un processus de matériaux par conception, " dit Bassiri. " En fin de compte, la récompense du développement de meilleurs revêtements pour LIGO sera de permettre une exploration plus poussée de l'univers grâce à l'astronomie des ondes gravitationnelles."