L’ensemble de la procédure de mesure prend quelques heures et est entièrement automatisé et contrôlé soit à distance, soit depuis le poste de travail du laboratoire. Les images colorées au-dessus des écrans d’ordinateur montrent certaines des façons dont le disque peut vibrer. Ces modes de vibrations sont détectables par l’instrument et sont utilisés pour déterminer les propriétés du matériau du miroir testé. Crédit : Caltech
De nouveaux revêtements miroir augmenteront le volume de l’espace LIGO peut sonder dans sa prochaine exécution.
Depuis la détection révolutionnaire par LIGO, en 2015, de ondes gravitationnelles produit par une paire de trous noirs en collision, l’observatoire, avec son installation partenaire européenne Virgo, a détecté des dizaines de grondements cosmiques similaires qui envoient des ondulations dans l’espace et le temps.
À l’avenir, alors que de plus en plus de mises à niveau sont apportées aux observatoires LIGO financés par la National Science Foundation – l’un à Hanford, Washington et l’autre à Livingston, en Louisiane – les installations devraient détecter un nombre de plus en plus important de ces événements cosmiques extrêmes. Ces observations aideront à résoudre des mystères fondamentaux sur notre univers, tels que la formation des trous noirs et la fabrication des ingrédients de notre univers.
Les chercheurs testent les revêtements des miroirs LIGO en les déposant sur des disques de verre plus petits que les vrais miroirs, et donc plus faciles à manipuler. L’un de ces disques de test est montré ici en train d’être retiré de son conteneur de stockage. Crédit : Caltech
Un facteur important pour augmenter la sensibilité des observatoires concerne les revêtements sur les miroirs en verre qui se trouvent au cœur des instruments. Chaque miroir de 40 kilogrammes (88 livres) (il y en a quatre dans chaque détecteur dans les deux observatoires LIGO) est recouvert de matériaux réfléchissants qui transforment essentiellement le verre en miroirs. Les miroirs réfléchissent les faisceaux laser sensibles au passage des ondes gravitationnelles.
En général, plus les miroirs sont réfléchissants, plus l’instrument est sensible, mais il y a un hic : les revêtements qui rendent les miroirs réfléchissants peuvent également entraîner un bruit de fond dans l’instrument, un bruit qui masque les signaux d’ondes gravitationnelles d’intérêt.
La couleur rosâtre sur la photo est due à une fine couche d’un revêtement d’oxyde métallique déposé sur la surface. Crédit : Caltech
Maintenant, une nouvelle étude de l’équipe LIGO décrit un nouveau type de revêtement miroir composé d’oxyde de titane et d’oxyde de germanium et décrit comment il peut réduire le bruit de fond dans les miroirs de LIGO par un facteur de deux, augmentant ainsi le volume d’espace que LIGO peut sonder. par un facteur de huit.
“Nous voulions trouver un matériau à la pointe de ce qui est possible aujourd’hui”, explique Gabriele Vajente, chercheur principal au LIGO à Caltech et auteur principal d’un article sur le travail publié dans la revue. Lettres d’examen physique. “Notre capacité à étudier l’échelle astronomiquement grande de l’univers est limitée par ce qui se passe dans ce très petit espace microscopique.”
Une vue du système de mesure depuis l’une des fenêtres de la chambre à vide. Les points rouges sont produits par le faisceau laser de la sonde. Crédit : Caltech
“Avec ces nouveaux revêtements, nous espérons pouvoir augmenter le taux de détection des ondes gravitationnelles d’une fois par semaine à une fois par jour ou plus”, a déclaré David Reitze, directeur exécutif du laboratoire LIGO de Caltech.
La recherche, qui pourrait avoir des applications futures dans les domaines des télécommunications et des semi-conducteurs, était une collaboration entre Caltech ; Université d’État du Colorado; l’Université de Montréal; et l’Université de Stanford, dont le synchrotron du SLAC National Accelerator Laboratory a été utilisé dans la caractérisation des revêtements.
Une vue de l’intérieur de la chambre à vide de mesure : quatre échantillons avec des matériaux différents peuvent être mesurés en même temps. Crédit : Caltech
LIGO détecte les ondulations dans l’espace-temps à l’aide de détecteurs appelés interféromètres. Dans cette configuration, un puissant faisceau laser est divisé en deux : chaque faisceau descend d’un bras d’une grande enceinte à vide en forme de L vers des miroirs distants de 4 kilomètres. Les miroirs renvoient les faisceaux laser vers la source d’où ils proviennent. Lorsque les ondes gravitationnelles passent, elles s’étirent et serrent l’espace de quantités presque imperceptibles et pourtant détectables (beaucoup moins que la largeur d’un proton). Les perturbations modifient le moment de l’arrivée des deux faisceaux laser à la source.
Une fois les échantillons placés à l’intérieur de la chambre, un réglage fin est nécessaire pour s’assurer qu’ils sont horizontaux et parfaitement centrés. Crédit : Caltech
Tout tremblement dans les miroirs eux-mêmes, même les vibrations thermiques microscopiques des atomes dans les revêtements des miroirs, peut affecter le moment de l’arrivée des faisceaux laser et rendre difficile l’isolement des signaux d’ondes gravitationnelles.
“Chaque fois que la lumière passe entre deux matériaux différents, une fraction de cette lumière est réfléchie”, explique Vajente. « C’est la même chose qui se passe dans vos fenêtres : vous pouvez voir votre faible reflet dans le verre. En ajoutant plusieurs couches de matériaux différents, nous pouvons renforcer chaque reflet et rendre nos miroirs réfléchissants jusqu’à 99,999%.
La chambre à vide est montrée en gros plan, juste avant que l’air ne soit pompé. La chambre doit atteindre une pression inférieure à un milliardième de l’atmosphère terrestre avant de pouvoir commencer à observer les vibrations du disque et à mesurer la dissipation d’énergie dans le matériau de revêtement. Crédit : Caltech
«Ce qui est important dans ce travail, c’est que nous avons développé une nouvelle façon de mieux tester les matériaux», explique Vajente. « Nous pouvons maintenant tester les propriétés d’un nouveau matériau en huit heures environ, de manière entièrement automatisée, alors qu’auparavant, cela prenait presque une semaine. Cela nous a permis d’explorer le tableau périodique en essayant beaucoup de matériaux différents et beaucoup de combinaisons. Certains des matériaux que nous avons essayés n’ont pas fonctionné, mais cela nous a donné un aperçu des propriétés qui pourraient être importantes.
Gabriele Vajente. Crédit : Caltech
Au final, les scientifiques ont découvert qu’un matériau de revêtement composé d’une combinaison d’oxyde de titane et d’oxyde de germanium dissipait le moins d’énergie (l’équivalent de la réduction des vibrations thermiques).
« Nous avons adapté le processus de fabrication pour répondre aux exigences strictes en matière de qualité optique et de réduction du bruit thermique des revêtements des miroirs », explique Carmen Menoni, professeur à la Colorado State University et membre de la collaboration scientifique LIGO. Menoni et ses collègues de l’État du Colorado ont utilisé une méthode appelée pulvérisation cathodique par faisceau d’ions pour recouvrir les miroirs. Dans ce processus, des atomes de titane et de germanium sont décollés d’une source, combinés à de l’oxygène, puis déposés sur le verre pour créer de fines couches d’atomes.
Le nouveau revêtement pourrait être utilisé pour la cinquième campagne d’observation de LIGO, qui débutera au milieu de la décennie dans le cadre du programme Advanced LIGO Plus. Pendant ce temps, la quatrième campagne d’observation de LIGO, la dernière de la campagne Advanced LIGO, devrait commencer à l’été 2022.
« C’est un excellent exemple de la façon dont LIGO s’appuie fortement sur la recherche et le développement de pointe en matière d’optique et de science des matériaux », déclare Reitze.
Référence : « TiO à faible perte mécanique2:Géo2 Coatings for Reduced Thermal Noise in Gravitational Wave Interferometers » par Gabriele Vajente, Le Yang, Aaron Davenport, Mariana Fazio, Alena Ananyeva, Liyuan Zhang, Garilynn Billingsley, Kiran Prasai, Ashot Markosyan, Riccardo Bassiri, Martin M. Fejer, Martin Chicoine, François Schiettekatte, et Carmen S. Menoni, 10 août 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.071101
L’étude a été financée par la NSF et la Fondation Gordon et Betty Moore.
