Il y a tout juste un an, l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser financé par la National Science Foundation, ou LIGO, captait des murmures d'ondes gravitationnelles tous les mois environ. Maintenant, un nouvel ajout au système permet aux instruments de détecter ces ondulations dans l'espace-temps presque chaque semaine.

Depuis le début de la troisième exploitation de LIGO en avril, un nouvel instrument connu sous le nom de presse-vide quantique a aidé les scientifiques à détecter des dizaines de signaux d'ondes gravitationnelles, dont une qui semble avoir été générée par une étoile à neutrons binaires :la fusion explosive de deux étoiles à neutrons.

Le presse-agrumes, comme l'appellent les scientifiques, a été conçu, construit, et intégré aux détecteurs de LIGO par les chercheurs du MIT, avec des collaborateurs de Caltech et de l'Australian National University, qui détaille son fonctionnement dans un article publié dans la revue Lettres d'examen physique .

Ce que l'instrument « comprime », c'est le bruit quantique, c'est-à-dire des fluctuations infiniment petites dans le vide de l'espace qui le font entrer dans les détecteurs. Les signaux détectés par LIGO sont si infimes que ces signaux quantiques, sinon des fluctuations mineures peuvent avoir un effet contaminant, brouiller ou masquer complètement les signaux entrants des ondes gravitationnelles.

"L'intervention de la mécanique quantique est liée au fait que le laser de LIGO est constitué de photons, " explique l'auteur principal Maggie Tse, un étudiant diplômé au MIT. "Au lieu d'un flux continu de lumière laser, si vous regardez d'assez près, c'est en fait un défilé bruyant de photons individuels, chacun sous l'influence des fluctuations du vide. Alors qu'un flux continu de lumière créerait un bourdonnement constant dans le détecteur, les photons individuels arrivent chacun au détecteur avec un petit "pop".

"Ce bruit quantique est comme un crépitement de pop-corn en arrière-plan qui se glisse dans notre interféromètre, et est très difficile à mesurer, " ajoute Nergis Mavalvala, le professeur de marbre d'astrophysique et directeur associé du département de physique du MIT.

Avec la nouvelle technologie de presse-agrumes, LIGO a rasé ce crépitement quantique déconcertant, étendre la portée des détecteurs de 15 pour cent. Combiné à une augmentation de la puissance laser du LIGO, cela signifie que les détecteurs peuvent détecter une onde gravitationnelle générée par une source dans l'univers jusqu'à environ 140 mégaparsecs, ou à plus de 400 millions d'années-lumière. Cette portée étendue a permis à LIGO de détecter les ondes gravitationnelles sur une base quasi hebdomadaire.

« Quand le taux de détection augmente, non seulement nous comprenons mieux les sources que nous connaissons, parce que nous avons plus à étudier, mais notre potentiel pour découvrir des choses inconnues entre en jeu, " dit Mavalvala, membre de longue date de l'équipe scientifique LIGO. "Nous jetons un filet plus large."

Les auteurs principaux du nouvel article sont les étudiants diplômés Maggie Tse et Haocun Yu, et Lisa Barsotti, chercheur principal au Kavli Institute for Astrophysics and Space Research du MIT, avec d'autres membres de la collaboration scientifique LIGO.

Limite quantique

LIGO comprend deux détecteurs identiques, un situé à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, Louisiane. Chaque détecteur se compose de deux tunnels de 4 kilomètres de long, ou des armes, chacun s'étendant l'un de l'autre en forme de « L ».

Pour détecter une onde gravitationnelle, les scientifiques envoient un faisceau laser du coin du détecteur en forme de L, en bas de chaque bras, au bout duquel est suspendu un miroir. Chaque laser rebondit sur son miroir respectif et revient le long de chaque bras jusqu'à son point de départ. Si une onde gravitationnelle traverse le détecteur, il doit déplacer l'un ou les deux positions des rétroviseurs, ce qui affecterait à son tour le moment de l'arrivée de chaque laser à son origine. Cette synchronisation est quelque chose que les scientifiques peuvent mesurer pour identifier un signal d'onde gravitationnelle.

La principale source d'incertitude dans les mesures de LIGO provient du bruit quantique dans le vide environnant d'un laser. Alors qu'un vide est généralement considéré comme un néant, ou le vide dans l'espace, les physiciens le comprennent comme un état dans lequel des particules subatomiques (dans ce cas, photons) sont constamment créés et détruits, apparaissant puis disparaissant si rapidement qu'ils sont extrêmement difficiles à détecter. Le temps d'arrivée (phase) et le nombre (amplitude) de ces photons sont également inconnus, et tout aussi incertain, ce qui rend difficile pour les scientifiques de repérer les signaux d'ondes gravitationnelles à partir du bruit de fond résultant du bruit quantique.

Et encore, ce crépitement quantique est constant, et comme LIGO cherche à détecter plus loin, signaux plus faibles, ce bruit quantique est devenu davantage un facteur limitant.

"La mesure que nous faisons est si sensible que le vide quantique compte, " note Barsotti.

Mettre la pression sur le bruit "effrayant"

L'équipe de recherche du MIT a commencé il y a plus de 15 ans à concevoir un dispositif permettant de réduire l'incertitude du bruit quantique, pour révéler des signaux d'ondes gravitationnelles plus faibles et plus éloignés qui, autrement, seraient enfouis dans le bruit quantique.

La compression quantique était une théorie qui a été proposée pour la première fois dans les années 1980, l'idée générale étant que le bruit du vide quantique peut être représenté comme une sphère d'incertitude le long de deux axes principaux :la phase et l'amplitude. Si cette sphère était comprimée, comme une balle anti-stress, d'une manière qui resserrait la sphère le long de l'axe d'amplitude, cela réduirait en effet l'incertitude sur l'état d'amplitude d'un vide (la partie comprimée de la boule de contrainte), tout en augmentant l'incertitude sur l'état de phase (balle de stress déplacée, partie distendue). Étant donné que c'est principalement l'incertitude de phase qui contribue au bruit de LIGO, le rétrécir pourrait rendre le détecteur plus sensible aux signaux astrophysiques.

Lorsque la théorie a été proposée pour la première fois il y a près de 40 ans, une poignée de groupes de recherche ont essayé de construire des instruments de compression quantique en laboratoire.

« Après ces premières manifestations, ça s'est calmé, " dit Mavalvala.

"Le défi avec la construction de presses est que l'état de vide pressé est très fragile et délicat, " Tse ajoute. " Obtenir la balle pressée, en un seul morceau, de l'endroit où il est généré jusqu'à l'endroit où il est mesuré est étonnamment difficile. Tout faux pas, et la balle peut rebondir jusqu'à son état non compressé."

Puis, vers 2002, tout comme les détecteurs de LIGO ont commencé à rechercher des ondes gravitationnelles, les chercheurs du MIT ont commencé à penser à la compression quantique comme moyen de réduire le bruit qui pourrait éventuellement masquer un signal d'onde gravitationnelle incroyablement faible. Ils ont développé une conception préliminaire pour un presse-agrumes sous vide, qu'ils ont testé en 2010 sur le site de LIGO à Hanford. Le résultat a été encourageant :l'instrument a réussi à augmenter le rapport signal/bruit de LIGO, c'est-à-dire la force d'un signal prometteur par rapport au bruit de fond.

Depuis, l'équipe, dirigé par Tse et Barsotti, a affiné son design, et presseurs construits et intégrés dans les deux détecteurs LIGO. Le cœur du presse-agrumes est un oscillateur paramétrique optique, ou OPO—un dispositif en forme de nœud papillon qui contient un petit cristal dans une configuration de miroirs. Lorsque les chercheurs dirigent un faisceau laser vers le cristal, les atomes du cristal facilitent les interactions entre le laser et le vide quantique d'une manière qui réarrange leurs propriétés de phase en fonction de l'amplitude, créer un nouveau, vide "compressé" qui continue ensuite le long de chaque bras du détecteur comme il le ferait normalement. Ce vide comprimé a des fluctuations de phase plus faibles qu'un vide ordinaire, permettant aux scientifiques de mieux détecter les ondes gravitationnelles.

En plus d'augmenter la capacité de LIGO à détecter les ondes gravitationnelles, le nouveau presse-étoupe quantique peut également aider les scientifiques à mieux extraire des informations sur les sources qui produisent ces ondes.

"Nous avons ce vide quantique effrayant que nous pouvons manipuler sans violer réellement les lois de la nature, et nous pouvons alors faire une mesure améliorée, " dit Mavalvala. " Cela nous dit que nous pouvons parfois faire un tour final autour de la nature. Pas toujours, mais parfois."