Résoudre un problème dans un projet scientifique de plusieurs millions de dollars signifie généralement dépenser des millions de plus. Ou inventer quelque chose de complètement nouveau.
Pas cette fois.
Les scientifiques travaillant sur les Observatoires d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO) ont trouvé une solution à un problème d’ingénierie persistant en utilisant quelque chose que vous pourriez acheter en ligne. Une caméra thermique disponible dans le commerce.
Cela semble presque trop simple pour une installation conçue pour détecter les ondulations dans l’espace-temps causées par la collision de trous noirs. Mais c’est exactement ce qu’a fait une équipe dirigée par Jonathan Richardson de l’Université de Californie à Riverside.
Comment l’imagerie thermique corrige les distorsions des miroirs dans LIGO
LIGO écoute les événements les plus violents de l’univers. Lorsque deux trous noirs s’entrechoquent, ils envoient des ondes de choc dans l’espace-temps. Ces ondes gravitationnelles traversent la Terre, étirant et comprimant l’espace lui-même par des quantités microscopiques.
À l’intérieur des installations jumelles en forme de L de LIGO à Washington et en Louisiane, des faisceaux laser parcourent des tunnels de 2,5 miles. Ils rebondissent sur des miroirs si parfaits qu’ils reflètent 99,9997 % de la lumière qui les frappe. La pureté de ces miroirs est stupéfiante. Ils font partie des meilleurs composants optiques jamais fabriqués.
Mais la perfection a un prix. Même les meilleurs miroirs absorbent une infime fraction de l’énergie laser. Cette énergie se transforme en chaleur.
La chaleur déforme la surface du miroir de quelques nanomètres seulement. C’est une distorsion microscopique, mais elle brouille le faisceau laser. Cela limite la portée que LIGO peut « voir ». Ou plutôt, jusqu’où il peut « entendre ».
L’équipe de Richardson a associé des caméras thermiques commerciales à des modèles informatiques. Ils ont créé une carte des distorsions thermiques sur les miroirs. Pensez-y comme si vous diagnostiquiez un moteur de voiture en analysant sa température. Vous voyez les points chauds à l’extérieur. Vous déduisez ce qui se passe à l’intérieur.
Grâce à cette carte, les physiciens peuvent appliquer une chaleur ciblée à l’arrière du miroir. Cela neutralise la déformation. Le faisceau laser reste clair. La sensibilité s’améliore.
“Cela ne nécessite aucun nouveau développement technologique. Ce qui est presque inconnu pour résoudre un problème d’instrument LIGO.”
Pourquoi cette mise à niveau étend la portée de LIGO de 33 millions d’années-lumière
Pourquoi un meilleur miroir est-il important ?
L’espace est tridimensionnel. Lorsque vous étendez votre portée dans une direction, votre volume d’observation augmente de façon exponentielle.
Le correctif de Richardson étend la portée effective de LIGO d’environ 33 millions d’années-lumière.
Ce nombre pourrait paraître petit à l’échelle du cosmos. Mais en termes de données ? C’est énorme. Une fenêtre légèrement plus grande signifie beaucoup plus d’événements détectables. Les astronomes détecteront davantage de fusions de trous noirs. Plus de collisions d’étoiles à neutrons. L’univers devient plus bruyant.
Il ne s’agit pas simplement d’un simple travail de patch pour l’équipement existant. C’est un projet pour l’avenir.
La technique est déjà intégrée à la conception de Cosmic Explorer. Cet observatoire de nouvelle génération vise le milieu des années 2030. Ses bras s’étendront sur 25 miles, soit dix fois plus longs que ceux de LIGO.
Si le correctif de LIGO ajoute de la profondeur, Cosmic Explorer vise une sensibilité globale décuplée. Le principal ennemi n’est pas seulement la chaleur. C’est du bruit quantique. Le flou fondamental de la physique qui limite la précision des mesures. Mais maîtriser les distorsions thermiques est la première étape.
La technologie commerciale est-elle meilleure pour les instruments scientifiques sensibles ?
Il y a un réconfort dans le banal. Une caméra thermique standard coûte quelques centimes par rapport aux budgets de R&D. C’est disponible. C’est prouvé.
La dépendance de LIGO à l’égard du matériel disponible dans le commerce renverse le scénario de l’élitisme de haute technologie. Parfois, le meilleur outil n’est pas celui construit de toutes pièces en laboratoire. C’est celui qui est déjà sur une étagère.
Le correctif est prêt. Il fera partie du prochain cycle de mise à niveau de LIGO. Ensuite, il entre dans Cosmic Explorer.
Les miroirs sont encore chauds. Les données continuent d’arriver. Mais nous savons désormais où chercher la chaleur. Et une fois que vous voyez la distorsion, vous pouvez la corriger.
Ce qui laisse une question. Quels autres secrets cosmiques se cachent derrière le bruit thermique ?
