Cartes composantes
Que se cache-t-il sous terre ? Découvre les composantes de pointe du Télescope Einstein.
Les ondes gravitationnelles étirent l'espace
Lors d'évènements cosmiques violents, comme la fusion de trous noirs ou l'explosion d'étoiles, des ondes gravitationnelles sont émises. Ce sont de minuscules ondulations de l'espace-temps, qui voyagent jusqu'à nous à la vitesse de la lumière. Lorsqu'une telle onde passe par la Terre, l'espace lui-même est étiré et comprimé, si bien que les distances deviennent très légèrement plus courtes ou plus longues.
Mesurer avec un interféromètre
Nous pouvons tenter de mesurer ces variations de distance, afin d'en déduire des informations sur la source de l'onde gravitationnelle. Pour cela, nous utilisons un interféromètre : un instrument qui sépare et recombine astucieusement des faisceaux lumineux pour mesurer des différences de distance. Un interféromètre prend un faisceau laser, le divise en deux faisceaux et les envoie dans deux bras. Au départ, les faisceaux lumineux sont en phase : les ondes lumineuses montent et descendent en même temps. Au bout de chaque bras, les faisceaux laser sont réfléchis par un miroir et se rejoignent à l'angle du détecteur. Lorsque les bras ont exactement la même longueur, les faisceaux laser ont parcouru exactement la même distance et arrivent donc aussi en phase. Mais si un bras est à peine plus long — par exemple à cause du passage d'une onde gravitationnelle — les ondes se déphasent. Les ondes lumineuses ne montent et ne descendent plus en même temps. Nous pouvons le mesurer en plaçant à l'angle du détecteur un senseur qui mesure le déphasage entre les deux faisceaux lumineux.
Les composantes de l'interféromètre
Pour mesurer des ondes gravitationnelles, il faut un interféromètre dont les bras mesurent plusieurs kilomètres. En effet, les variations de distance provoquées par une telle onde sont incroyablement petites : sur quelques kilomètres, la différence est plus petite que le diamètre d'un atome ! Pour te donner une idée : c'est comme si tu voulais mesurer la distance d'ici à l'étoile la plus proche avec une précision de l'épaisseur d'un cheveu.
Les interféromètres des détecteurs d'ondes gravitationnelles doivent donc être réglés avec une précision extrême : de petites vibrations, comme celles causées par le passage de camions, par des imperfections des lasers ou par l'échauffement des miroirs, suffisent déjà à perturber la mesure. Le Télescope Einstein fera encore mieux que les détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels sur tous ces plans. Les nouvelles techniques et innovations scientifiques qui seront mises en œuvre dans le Télescope Einstein se retrouvent sur les cartes composantes du jeu L'Écho d'Einstein.
Si le Télescope Einstein est construit ici en Belgique, le détecteur prendra très probablement la forme d'un gigantesque triangle, construit en profondeur sous terre. Chaque côté de ce triangle mesurera 10 kilomètres, et à chaque sommet se dresseront des tours de plusieurs dizaines de mètres de haut. Au total, six interféromètres seront installés dans le triangle : deux à chaque sommet. Dans chaque paire, l'un mesure les ondes gravitationnelles de hautes fréquences, l'autre celles de basses fréquences. En mesurant différentes fréquences d'ondes gravitationnelles, nous pouvons écouter différentes sources cosmiques d'ondes gravitationnelles.
Laser
Les lasers qui seront utilisés dans les interféromètres du Télescope Einstein sont très précisément adaptés aux signaux que nous voulons mesurer. C'est pourquoi nous utilisons deux lasers différents pour les signaux de hautes et de basses fréquences. Quand tu penses à un laser, tu imagines peut-être tout de suite un très fin rayon de lumière rouge, mais la réalité est tout autre. D'abord, ces lasers sont infrarouges, donc invisibles à l'œil humain ! Ensuite, les faisceaux laser font environ 20 cm de large. Les lasers sont si puissants que nous devons répartir leur lumière sur une plus grande surface ; sinon, ils pourraient facilement percer un trou dans l'équipement.
Miroir
Au bout des bras, les faisceaux laser seront réfléchis par des miroirs d'une précision inégalée : comme les variations de distance dues aux ondes gravitationnelles sont minuscules, les miroirs doivent être parfaitement plats. Ils reçoivent plusieurs couches de revêtement, qui rendent leur surface lisse jusqu'à l'échelle moléculaire. Les miroirs du Télescope Einstein sont donc bien plus complexes qu'un miroir ordinaire acheté en magasin. Tu ne pourrais même pas t'en servir, car tu n'y verrais pas du tout ton reflet ! En effet, ces miroirs sont transparents à la lumière visible et ne réfléchissent que la lumière infrarouge des lasers du Télescope Einstein. Pour limiter le bruit thermique, les miroirs pour les basses fréquences doivent en plus être refroidis à environ -260 °C !
Senseur
Les faisceaux lumineux réfléchis par les miroirs sont ensuite captés et recombinés dans des senseurs extrêmement sensibles. Ces senseurs mesurent le déphasage entre les deux ondes lumineuses, pour voir si une onde gravitationnelle a légèrement allongé ou raccourci les bras. Ils fonctionnent comme une sorte de LED à l'envers : plus la lumière laser qui les éclaire est intense, plus ils génèrent de courant électrique. Le Télescope Einstein sera aussi rempli d'autres senseurs similaires, qui veillent à ce que le laser reste bien pointé au centre du miroir. Essaie donc de viser avec un laser une cible de 20 cm située à 10 km !
Vide
De nombreux facteurs extérieurs peuvent perturber les mesures et créer du bruit. Nous devons donc tout faire pour réduire ces perturbations. L'une des sources de bruit est la présence de particules d'air dans les tubes où circulent les lasers. Lorsque le faisceau laser heurte une telle particule, il est dévié. L'air dans les tubes provoque donc une diffusion indésirable du laser. C'est pourquoi un vide très poussé doit régner dans les tubes où voyage le laser. Tout l'air est pompé hors des tubes et des tours, jusqu'à ce qu'il ne reste plus que quelques particules. Ce vide est si fort que les tubes doivent être spécialement renforcés ; sinon, la pression extérieure les ferait immédiatement s'effondrer !
Atténuation
Une deuxième source de perturbations vient des vibrations dans le détecteur. Si les miroirs oscillaient légèrement d'avant en arrière à cause de mouvements extérieurs, l'interféromètre ne pourrait plus mesurer d'ondes gravitationnelles. C'est pourquoi les miroirs sont suspendus à des systèmes d'atténuation complexes. Les vibrations sont amorties par une chaîne de pendules : de lourdes masses reliées entre elles par des fils solides. Ainsi, même lorsque les murs du détecteur se mettent à vibrer, le miroir reste parfaitement immobile. Malheureusement, les vibrations les plus lentes ne peuvent pas être amorties par un pendule. Nous devons donc mesurer ces vibrations et les compenser activement en déplaçant les miroirs dans la direction opposée.
Sismique
Pour réduire les vibrations dans le détecteur, le Télescope Einstein sera construit à environ 200 à 300 mètres sous terre. La région des Trois Frontières, où se rejoignent la Belgique, les Pays-Bas et l'Allemagne, est l'endroit idéal : le sous-sol est composé d'une couche meuble qui amortit bien les ondes vibratoires, au-dessus d'une couche dure suffisamment solide pour y construire le Télescope Einstein. Cela permet de réduire les perturbations dues, par exemple, au passage de camions, aux éoliennes ou aux tremblements de terre. Toutes les vibrations ne sont toutefois pas complètement amorties : l'activité sismique est donc soigneusement cartographiée. En mesurant quelles vibrations atteignent malgré tout le détecteur, nous savons à quel bruit nous attendre dans le signal.
Analyse
Toutes les composantes ci-dessus travaillent ensemble pour mesurer les ondes gravitationnelles aussi précisément que possible. Les signaux mesurés par les senseurs sont alors prêts pour la dernière étape : l'analyse des données. Il faut d'abord séparer le bruit restant du signal de l'onde gravitationnelle. À partir de ce qui reste, nous pouvons ensuite tenter de percer les mystères de notre Univers. L'un des défis du Télescope Einstein est en même temps l'une de ses forces : avec le Télescope Einstein, nous pourrons mesurer beaucoup plus de signaux qu'avec les détecteurs actuels. Aujourd'hui, les détecteurs d'ondes gravitationnelles mesurent en moyenne un signal par semaine. Avec le Télescope Einstein, nous en mesurerons jusqu'à une centaine par heure ! De plus, le détecteur basses fréquences pourra détecter chaque signal beaucoup plus longtemps. Les signaux de différentes sources vont donc se chevaucher, et distinguer les différents évènements cosmiques dans ces signaux sera un véritable défi pour l'analyse des données.