Une impression d’artiste des ondes gravitationnelles générées par des étoiles à neutrons binaires. Crédit : R. Hurt/Caltech-JPL
Une nouvelle technologie permettant d’améliorer les détecteurs d’ondes gravitationnelles, l’un des instruments les plus sensibles utilisés par les chercheurs scientifiques, a été mise au point par des physiciens de l’Université de Western Australia en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs.
La nouvelle technologie permet aux détecteurs d’ondes gravitationnelles existants dans le monde d’atteindre une sensibilité que l’on pensait auparavant ne pouvoir obtenir qu’en construisant des détecteurs beaucoup plus grands.
L’article, publié dans Communications PhysiqueL’étude a été menée par le Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles (OzGrav) à l’UWA, en collaboration avec le Centre d’excellence de l’ARC pour l’ingénierie des systèmes quantiques, l’Institut Niels Bohr de Copenhague et l’Institut de technologie de Californie à Pasadena.
En utilisant l’interaction des photons et des phonons, un minuscule résonateur de moins d’un millimètre peut augmenter considérablement la sensibilité d’un interféromètre à l’échelle du kilomètre. Crédit : Carl Knox, Centre d’excellence de l’ARC pour la découverte des ondes gravitationnelles.
Le professeur émérite David Blair, du département de physique de l’UWA, a déclaré que la technologie fusionnait des particules quantiques de vibration sonore appelées phonons avec des photons de lumière laser, pour créer un nouveau type d’amplification dans lequel les particules fusionnées font des allers-retours des milliards de fois sans se perdre.
“Il y a plus de cent ans, Einstein a prouvé que la lumière se présente sous forme de petits paquets d’énergie, que nous appelons aujourd’hui photons”, a déclaré le professeur émérite Blair.
L’une des applications les plus sophistiquées des photons sont les détecteurs d’ondes gravitationnelles, qui permettent aux physiciens d’observer les ondulations dans l’espace et le temps causées par les collisions cosmiques.
“Les phonons sont beaucoup plus difficiles à exploiter individuellement sous leur forme quantique, car ils sont généralement submergés par un grand nombre de phonons aléatoires appelés fond thermique.”
– Professeur émérite David Blair
“Deux ans après la prédiction d’Einstein sur les photons, il a proposé que la chaleur et le son se présentent également sous forme de paquets d’énergie, que nous appelons aujourd’hui phonons”, a déclaré le professeur émérite Blair.
“Les phonons sont beaucoup plus difficiles à exploiter individuellement sous leur forme quantique car ils sont généralement submergés par un grand nombre de phonons aléatoires appelés fond thermique.”
Le professeur émérite Blair a reçu le prestigieux prix scientifique du Premier ministre en 2020 pour sa contribution à la première détection des gravitational waves.
Lead author Dr. Michael Page said the trick was to combine phonons and photons together in such a way that a broad range of gravitational wave frequencies could be amplified simultaneously.
“The new breakthrough will let physicists observe the most extreme and concentrated matter in the known universe as it collapses into a black hole, which happens when two neutron stars collide,” Dr. Page said.
Emeritus Professor David Blair said the waveforms sounded like a brief scream that was pitched too high for current detectors to hear.
“Our technology will make those waveforms audible, and will also reveal whether the neutrons in neutron stars get split up into their constituents called quarks when they are in this extreme state” Emeritus Professor Blair said.
“The most exciting thing about seeing nuclear matter turn into a black hole is that the process is like the reverse of the Big Bang that created the universe. Observing this happen will be like watching a movie of the Big Bang played backward.”
Emeritus Professor Blair said while the technology did not represent an instant solution to improving gravitational-wave detectors it offers a low-cost route to improvement.
Reference: “Gravitational wave detectors with broadband high frequency sensitivity” by Michael A. Page, Maxim Goryachev, Haixing Miao, Yanbei Chen, Yiqiu Ma, David Mason, Massimiliano Rossi, Carl D. Blair, Li Ju, David G. Blair, Albert Schliesser, Michael E. Tobar and Chunnong Zhao, 15 February 2021, Communications Physics.
DOI: 10.1038/s42005-021-00526-2
