Un nouveau capteur pour mieux détecter les ondes gravitationnelles et ainsi tester les limites de la relativité générale

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Vue d’artiste d’ondes gravitationnelles générées par un système binaire d’étoiles à neutrons. | R. Hurt/Caltech-JPL
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Une équipe de l’Université d’Australie occidentale, spécialisée dans les ondes gravitationnelles, a dirigé le développement d’un nouveau capteur de modes propres laser à très haute sensibilité. Leur dispositif pourrait être mis à profit dans les détecteurs d’ondes gravitationnelles existants (LIGO, Virgo, etc.) pour tester les limites fondamentales de la relativité générale.

Les interféromètres, comme LIGO, Virgo ou encore KAGRA, se composent de deux bras perpendiculaires, de longueur identique (et multiple d’une longueur d’onde particulière). Un faisceau laser de cette longueur d’onde est divisé en deux faisceaux, de manière à ce que chacun se propage dans l’un des bras de l’interféromètre, puis soit réfléchi à leur extrémité via un miroir (ce qui produit des interférences). Le passage d’une onde gravitationnelle modifie les chemins optiques du laser, ce qui modifie en retour la figure d’interférence.

Cependant, la paire de miroirs utilisée présente de minuscules distorsions, qui dispersent la lumière loin de la forme parfaite du faisceau laser. Cette dispersion peut provoquer un excès de bruit dans le détecteur, donc limiter sa sensibilité, puis finalement conduire à la mise hors service de l’instrument, explique le Dr Aaron Jones, chercheur associé au Centre d’excellence pour la découverte des ondes gravitationnelles de l’Université d’Australie occidentale (UWA). Jones et ses collaborateurs ont donc entrepris de mettre au point une nouvelle méthode de mesure pour détecter ces petites ondulations de puissance qui sont limitantes.

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Un capteur à métasurface de haute sensibilité

Les lasers prennent en charge certaines structures de lumière appelées « modes propres ». L’équipe dirigée par Jones, comprenant des experts en ondes gravitationnelles, en métasurfaces et en photonique, a mis au point une nouvelle méthode pour mesurer la quantité de ces modes propres avec une sensibilité sans précédent.

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Schéma du dispositif de décomposition de modes utilisé par les chercheurs. Le laser entrant frappe la métasurface, puis est divisé en trois faisceaux A, B et C. Les lentilles focalisent cette lumière sur le plan de sortie. © A. Jones et al./UWA

Il se trouve que le secteur des télécommunications est confronté au même type de problème, alors que les scientifiques étudient les moyens d’utiliser plusieurs modes propres pour transporter davantage de données dans les fibres optiques. Pour ce faire, ils ont conçu un appareil relativement simple permettant de mesurer les modes propres ; ce dernier n’est cependant pas assez sensible pour les besoins de Jones et ses collaborateurs.

L’équipe a alors eu l’idée d’utiliser une métasurface — une surface artificielle ultramince, dotée d’un motif spécifique gravé à l’échelle inférieure à la longueur d’onde ; celle-ci est constituée de trois couches : deux couches d’or séparées par une couche de silice. Selon l’étude publiée dans la revue Physical Review A, le dispositif de démonstration qu’ils ont mis au point était plus de mille fois plus sensible que l’appareil original mis au point par les scientifiques des télécommunications.

Une réelle avancée dans la détection des ondes gravitationnelles

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« Une fluctuation de pondération modale de 6×10-7 a été mesurée avec 1 seconde de moyenne à une fréquence de Fourier de 80 Hz » rapportent les chercheurs. Autrement dit, la fluctuation de pondération modale à 80 Hz peut être mesurée jusqu’à 0,6 ppm avec un rapport signal/bruit de 1 et une moyenne de 1 seconde. Cela correspond à une amélioration de plus de trois ordres de grandeur par rapport à l’état de l’art en matière de décomposition de modes basée sur des hologrammes, tels que les modulateurs spatiaux de lumière. Cette amélioration est due à la réduction du couplage croisé entre les modes, qui résulte de la taille extrêmement petite des pixels de la métasurface.

Le professeur Chunnong Zhao, chercheur en chef au Centre d’excellence pour la découverte des ondes gravitationnelles de l’UWA, a déclaré que ce développement constituait un nouveau pas en avant dans la détection et l’analyse des informations véhiculées par les ondes gravitationnelles. « La résolution du problème de détection des modes dans les futurs détecteurs d’ondes gravitationnelles est essentielle si nous voulons comprendre l’intérieur des étoiles à neutrons et approfondir notre observation de l’Univers d’une manière qui n’a jamais été possible auparavant », a-t-il déclaré.

Les interféromètres actuels sont capables de détecter des variations de distance vraiment infimes. La première onde gravitationnelle détectée en septembre 2015, par LIGO, a par exemple été associée à un déplacement de l’ordre de 10-18 mètres (soit un millier de fois inférieur à la taille du proton !). Grâce à ce nouveau dispositif de mesure à métasurface, ils pourraient bénéficier d’informations encore plus précises sur le contenu des modes permettant d’améliorer leur sensibilité.

Source : A. Jones et al., Physical Review A

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