LIVINGSTON, Louisiane - À environ un mile et demi d'un bâtiment si grand que vous pouvez le voir depuis l'espace, chaque voiture sur la route ralentit en rampant. Les conducteurs savent prendre très au sérieux la limite de vitesse de 10 mph (16 km / h): c'est parce que le bâtiment abrite un détecteur massif qui recherche les vibrations célestes à la plus petite échelle jamais tentée. Sans surprise, il est sensible à toutes les vibrations terrestres qui l'entourent, des grondements d'une voiture qui passe aux catastrophes naturelles de l'autre côté du globe.
En conséquence, les scientifiques qui travaillent sur l'un des détecteurs LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) doivent aller à des longueurs extraordinaires pour traquer et éliminer toutes les sources potentielles de bruit - ralentir le trafic autour du détecteur, surveiller chaque petit tremblement dans le sol, suspendant même l'équipement à un système de pendule quadruple qui minimise les vibrations - le tout dans l'effort de créer le point de vibration le plus "silencieux" sur Terre.
"Tout est question de chasse au bruit", a déclaré Janeen Romie, responsable du groupe d'ingénierie des détecteurs au détecteur LIGO en Louisiane.
Pourquoi les physiciens LIGO sont-ils si obsédés par l'élimination du bruit et la création de l'endroit le plus exempt de vibrations de la planète? Pour comprendre cela, vous devez savoir ce que sont les ondes gravitationnelles et comment LIGO les détecte en premier lieu. Selon la relativité générale, l'espace et le temps font partie du même continuum, que Einstein a appelé l'espace-temps. Et dans l'espace-temps, des objets massifs en accélération rapide peuvent produire des ondes gravitationnelles, qui ressemblent à des ondulations qui rayonnent vers l'extérieur lorsqu'un caillou tombe à la surface d'un étang.Ces ondes révèlent l'étirement et la contraction du tissu du cosmos lui-même.
Comment mesurez-vous les changements dans l'espace-temps lui-même, lorsqu'un appareil de mesure subirait ces mêmes changements? La solution ingénieuse est ce qu'on appelle un interféromètre. Elle repose sur le fait que les ondes gravitationnelles étirent l'espace-temps dans une direction, tout en la contractant dans la direction perpendiculaire. Pensez à une bouée sur l'eau: quand une vague passe, elle oscille de haut en bas. Dans le cas d'une onde gravitationnelle rayonnant à travers la Terre, tout oscille très légèrement d'avant en arrière, au lieu de monter et descendre.
Le détecteur LIGO est composé d'une source de lumière laser, d'un séparateur de faisceau, de plusieurs miroirs et d'un détecteur de lumière. La lumière quitte le laser, est divisée en deux faisceaux perpendiculaires par un séparateur de faisceau, puis parcourt des distances égales le long des bras de l'interféromètre jusqu'à deux miroirs, où la lumière est réfléchie vers le bas des bras. Les deux faisceaux frappent alors le détecteur, qui est placé en face de l'un des miroirs réfléchissants. Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse l'interféromètre, elle rallonge légèrement l'un des bras et l'autre un peu plus court, car il étire l'espace dans une direction tout en le comprimant dans une autre. Ce changement infiniment petit s'inscrit dans le schéma de la lumière frappant la lumière détecteur. Le niveau de sensibilité de LIGO équivaut à "mesurer la distance à l'étoile la plus proche (environ 4,2 années-lumière) avec une précision inférieure à la largeur d'un cheveu humain", selon le site Web de collaboration LIGO.
Pour pouvoir détecter cette vague de largeur de cheveux, les scientifiques vont à des longueurs extrêmes pour éliminer toute perturbation potentielle de cette configuration finement réglée, a déclaré Carl Blair, chercheur postdoctoral au LIGO qui étudie l'opto-mécanique ou l'interaction de la lumière avec les systèmes mécaniques.
Pour commencer, les bras de 4 kilomètres de long se trouvent dans l'un des aspirateurs les plus parfaits au monde, ce qui signifie qu'il est presque sans molécule, donc rien ne peut interférer avec le trajet du faisceau. Les détecteurs sont également entourés de toutes sortes d'appareils (sismomètres, magnétomètres, microphones et détecteurs à rayons gamma, pour n'en nommer que quelques-uns) qui mesurent les perturbations dans les données et les suppriment.
Tout ce qui pourrait interférer avec ou être interprété à tort comme un signal d'onde gravitationnelle doit également être recherché et éliminé, a déclaré Blair. Cela inclut les imperfections à l'intérieur du détecteur lui-même - ce qui est connu sous le nom de bruit - ou les perturbations non astrophysiques qui sont captées par l'instrument - ce que l'on appelle les pépins. Les physiciens doivent même tenir compte des vibrations des atomes qui composent le miroir du détecteur et des fluctuations aléatoires du courant dans l'électronique. À plus grande échelle, les pépins peuvent être n'importe quoi, d'un train de marchandises qui passe à un corbeau assoiffé.
Et les problèmes peuvent être très difficiles à résoudre. Lorsque Arnaud Pele a rejoint l'équipe d'ingénierie des détecteurs du LIGO, il a été chargé de déterminer d'où provenait une perturbation particulièrement embêtante: les instruments qui mesuraient le mouvement du sol autour des détecteurs d'ondes gravitationnelles enregistraient un pic constant, et personne savait pourquoi. Après plusieurs mois de fouilles acharnées, il a trouvé le coupable: un rocher sans prétention logé entre le sol et quelques ressorts mécaniques sous un système de ventilation. En raison de la roche, les ressorts n'ont pas pu empêcher les vibrations du ventilateur d'apparaître dans le détecteur, provoquant le signal mystérieux. "C'est vraiment amusant de faire mon travail de détective", a déclaré Pelé. "La plupart du temps, ce sont des solutions simples." Dans la recherche de vibrations infiniment petites des extrémités de l'univers, le véritable travail peut être très terre à terre.
Le plus important, peut-être, il y a trois détecteurs: en plus de celui de Louisiane, il y en a un à Hanford, Washington et un troisième en Italie: "Si quelque chose est réel, il doit avoir la même apparence dans tous les détecteurs", a déclaré un membre de la collaboration LIGO. Salvatore Vitale, professeur adjoint de physique au MIT. S'il s'agit d'un train de marchandises ou d'un rocher logé sous une source, il n'apparaîtra que dans l'un des trois détecteurs.
Avec tous ces outils et certains algorithmes très sophistiqués, les scientifiques sont capables de quantifier la probabilité qu'un signal soit effectivement une onde gravitationnelle. Ils peuvent même calculer le taux de fausses alarmes pour une détection donnée, ou la possibilité que le signal exact apparaisse par accident. Un des événements du début de l'été, par exemple, a eu un taux de fausses alertes inférieur à une fois en 200 000 ans, ce qui en fait un candidat extrêmement convaincant. Mais nous devrons attendre que le verdict final soit rendu.
Le rapport de cet article a été partiellement soutenu par une subvention de la National Science Foundation.
