LIGO est une collaboration qui s’est développée autour d’une expérience de recherche d’ondes gravitationnelles. L’instrument principal de la collaboration LIGO est l’instrument du même nom, l’interféromètre LIGO, qui signifie Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
La collaboration rassemble un groupe de chercheurs issus de 40 institutions de recherche à travers le monde, ainsi que 600 autres scientifiques individuels qui analysent les données générées par l’interféromètre. Deux groupes russes sont également impliqués dans le projet : l’académicien de l’Académie russe des sciences Alexander Sergeyev (professeur à la NNGU depuis 2015) et le professeur Valery Mitrofanov de l’Université d’État de Moscou.
Table des matières
Historique de la création
Matériel sur le sujet
Albert Einstein a parlé pour la première fois des ondes gravitationnelles en 1916, dans son travail sur la théorie générale de la relativité (GTR). Toutefois, à cette époque, l’humanité ne disposait pas d’un développement technologique suffisant pour organiser une expérience de recherche d’ondes gravitationnelles. Dans les années 1990, en observant le pulsar PSR B1913+16, qui est un système de deux étoiles, les scientifiques ont constaté que la période de rotation orbitale de ces étoiles est réduite de 76 μs par an. Cette valeur est prédite avec précision par la solution des équations GR pour les étoiles perdant de l’énergie par rayonnement gravitationnel. Les résultats de l’étude sont donc devenus un argument positif en faveur de l’existence des ondes gravitationnelles, et les physiciens américains Russell Alan Hulse et Joseph Taylor Jr. ont reçu le prix Nobel en 1993.
Un an plus tôt, trois docteurs en physique avaient proposé un projet de développement d’un interféromètre pour la recherche d’ondes gravitationnelles : l’Américain Kip Thorne (également connu du public comme conseiller scientifique et producteur exécutif du film «Interstellar»), l’Écossais Ronald Drever et l’Américain Rainer Weiss (spécialistes dans le domaine des lasers).
Ronald Drever, Kip Thorne, Rainer Weiss — fondateurs du projet LIGO
Le développement et la mise en œuvre du projet ont duré vingt ans. Pendant cette période, plusieurs conceptions d’interféromètres ont été étudiées. Le projet a été financé par la National Science Foundation des États-Unis et a coûté 365 millions de dollars, ce qui en fait le projet le plus coûteux financé par la fondation. La construction de l’interféromètre LIGO s’est achevée en 2002 et l’observatoire a commencé à observer en août de la même année.
Buts et objectifs de LIGO
L’objectif principal de la collaboration était la recherche d’ondes gravitationnelles. La source de ces oscillations gravitationnelles peut être un système double de corps massifs. Par exemple, des étoiles à neutrons qui entrent en collision ou qui gravitent sur des orbites elliptiques, des supernovae et des trous noirs en collision. Les éruptions de supernovae à proximité de pulsars peuvent également constituer des sources d’ondes gravitationnelles. Ce sont ces objets qui sont devenus les principaux sujets d’observation des chercheurs de la collaboration LIGO.
Émission d’ondes gravitationnelles à l’approche des trous noirs
Outre la recherche des fluctuations de la courbure de l’espace-temps — les ondes gravitationnelles -, les résultats des observations de l’observatoire peuvent apporter des connaissances positives dans le domaine des cordes cosmiques ou estimer l’ampleur du spin du graviton — une particule porteuse de l’interaction gravitationnelle.
Conception de l’interféromètre LIGO
La taille de cet observatoire peut être comparée à celle des États-Unis, car les deux principaux composants de l’interféromètre sont situés aux extrémités opposées des États-Unis, à 3 002 kilomètres l’un de l’autre. Le premier bâtiment de l’observatoire est situé à Livingston, en Louisiane, tandis que le second se trouve à Hanford, dans l’État de Washington. La raison en est que deux interféromètres aussi éloignés peuvent capter l’onde gravitationnelle (qui se déplace probablement à une vitesse proche de celle de la lumière) avec une différence de seulement 10 millisecondes. Cependant, une telle différence est suffisante pour déterminer la position de la source par rapport à la Terre et pour exclure toutes sortes de sources terrestres, si cela est possible.
Distance entre Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane.
La conception de chaque observatoire interférométrique consiste principalement en un système en forme de L composé de deux tubes de quatre kilomètres de long avec un vide poussé à l’intérieur. Des faisceaux de rayonnement électromagnétique d’une certaine fréquence (longueur d’onde) traversent ces tubes au moyen d’un laser. Plus loin, à l’endroit où les tubes sont connectés, ces faisceaux se croisent, se chevauchent et forment une «figure d’interférence» connue jusqu’à présent. Si l’onde gravitationnelle traverse la construction donnée, en raison de cette distorsion de l’espace-temps, la longueur d’un bras de la construction sera multipliée par trois et la longueur de l’autre bras sera divisée par trois. Cela entraînera également une modification de la figure d’interférence, qui sera un indicateur de l’onde gravitationnelle. Les résultats de cette observation seront comparés à ceux d’un autre composé de l’interféromètre LIGO afin de mieux déterminer la position de la source par rapport à la Terre.
Modèle de la structure de l’interféromètre LIGO
Découverte des ondes gravitationnelles
La recherche d’ondes gravitationnelles a été menée non seulement par la collaboration LIGO située aux États-Unis, mais aussi par la collaboration européenne VIRGO. Cette dernière dispose également d’un détecteur assez puissant, bien que plus petit (chaque bras de l’interféromètre mesure 3 km). Pour un traitement plus efficace des informations obtenues des interféromètres, les deux collaborations ont convenu d’analyser les données conjointement.
Le 11 février 2016, les deux collaborations ont annoncé la détection directe des ondes gravitationnelles recherchées, qui se sont produites le 14 septembre 2015. Cet événement a été baptisé GW150914, qui signifie onde gravitationnelle + année, mois et date d’enregistrement de l’événement. Le signal a été enregistré le 14.09.2015 à 9:50 UTC, d’abord par le détecteur LIGO à Livingston, et seulement 7 millisecondes plus tard par le détecteur à Hanford. Le signal entrant a été traité deux fois par un logiciel, puis, trois minutes plus tard, la notification du signal est arrivée sur l’email d’un postdoc italien (l’équivalent soviétique de ce diplôme est «PhD») nommé Marco Drago, qui travaille à l’Institut de physique gravitationnelle de la Société Max Planck, situé à Hanovre, en Allemagne. L’Italien a alerté son collaborateur, également post-doctorant à Hanovre, Andrew Lundgren. Quinze minutes plus tard, les deux chercheurs ont appelé directement les centres de contrôle de l’expérience situés à Livingston et à Hanford. À 11h00 UTC, Marco Drago a envoyé des messages informant l’ensemble de la collaboration LIGO du signal.
Le premier signal d’ondes gravitationnelles enregistré.
Le traitement manuel du signal a duré du 18 septembre au 5 octobre. Dans le même temps, la recherche d’autres indicateurs du signal a été lancée. Ainsi, aucun sursaut de neutrinos n’a été détecté, mais la collaboration Fermi a noté un faible flash de rayons X, peut-être associé à l’événement.
Paramètres de l’événement et avenir de LIGO
En ce qui concerne l’événement GW150914, enregistré par l’interféromètre LIGO, on peut dire qu’il a non seulement confirmé l’existence des ondes gravitationnelles, mais qu’il est également devenu la preuve tant attendue de l’existence des trous noirs. Le fait est que la source de rayonnement des ondes gravitationnelles était deux trous noirs (à une distance de 0,8 à 2 milliards d’années sv. de la Terre) qui, à la suite d’une collision, ont fusionné en un seul, avec un volume d’énergie libérée (transférée à la perturbation gravitationnelle) égal à trois masses solaires. Le signal n’a duré que 0,2 seconde, mais un événement d’une telle puissance s’est nettement détaché de l’arrière-plan de bruits divers (rapport signal/bruit de 24:1).
La découverte des scientifiques de la collaboration LIGO a été récompensée par un prix appelé Breakthrough Prize, d’une valeur de 1 million de dollars, partagé par les fondateurs du projet (Kip Thorne, Rainer Weiss et Ronald Driver), et de 2 millions de dollars — 1012 co-auteurs de la découverte.
Kip Thorne, Rainer Weiss et le frère de Ronald Dreaver lors de la remise du Breakthrough Prize
La collaboration LIGO entend poursuivre l’étude des ondes gravitationnelles, de leurs paramètres et de leurs caractéristiques. Dans un avenir proche, il est prévu de fusionner LIGO avec l’observatoire LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un autre interféromètre visant à détecter des ondes gravitationnelles 4 à 5 ordres de grandeur plus faibles que LIGO.
Vous trouverez ci-dessous une vidéo sur la création de l’observatoire LIGO et les perspectives d’avenir pour les observations astronomiques avec de tels interféromètres.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023