Du traducteur:
Cet article est une sorte d'annonce du possible. Le professeur David Blair résume les travaux scientifiques qui ont ouvert la voie à une augmentation de 40 fois ou plus de la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles. Dans la pratique, cette annonce signifie que bientôt nous verrons probablement des programmes de vulgarisation scientifique complètement différents sur l'espace. Et ceci, bien sûr, n'est que la cerise sur le gâteau. Les détecteurs sont d'un ordre de grandeur plus sensibles - il s'agit de nouvelles connaissances sur la physique de l'espace. La perspective est fascinante, donc je n'ai pas pu m'empêcher de traduire ce texte et de le partager.
En 2017, des astronomes ont assisté pour la première fois à la naissance d'un trou noir. Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté les ondulations dans l'espace-temps causées par la collision de deux étoiles à neutrons qui ont formé un trou noir, puis d'autres télescopes ont observé le résultat - une explosion.
Mais les vrais détails de la formation du trou noir, les détails du mouvement de la matière quelques instants avant qu'il ne soit caché dans l'horizon des événements, sont passés inaperçus. Cela s'est produit parce que les ondes gravitationnelles émises dans ces derniers instants avaient une fréquence si élevée que les détecteurs d'aujourd'hui ne les captent pas. Si vous pouviez voir comment la matière ordinaire se transforme en trou noir, alors ce serait quelque chose de similaire au Big Bang, mais dans la direction opposée. Les scientifiques qui conçoivent des détecteurs d'ondes gravitationnelles ont travaillé dur pour trouver comment augmenter la sensibilité des détecteurs afin qu'ils puissent observer la transformation de la matière ordinaire en un trou noir.
Aujourd'hui notre équipe publie un article, qui explique comment augmenter la sensibilité des détecteurs. La solution proposée pourrait rendre les détecteurs 40 fois plus sensibles aux ondes à haute fréquence dont nous avons besoin, permettant aux astronomes d'écouter la matière telle qu'elle se forme dans les trous noirs. Nous parlons de la création de nouveaux paquets d'énergie inhabituels (ou «quanta»), qui sont un mélange de deux types de vibrations quantiques. Pour atteindre la sensibilité requise, des dispositifs basés sur cette technologie peuvent être couplés avec des détecteurs d'ondes gravitationnelles existants.
Problèmes quantiques
Les détecteurs de gravité comme l' interféromètre laser Observatoire des ondes gravitationnelles aux États-Unis utilisent des lasers pour mesurer des changements incroyablement petits dans la distance entre deux miroirs. Les effets de la mécanique quantique, la physique des particules individuelles ou des quanta d'énergie jouent un rôle important dans le fonctionnement de ces détecteurs, car les lasers mesurent des changements mille fois plus petits que la taille d'un seul proton.
Deux types de paquets d'énergie quantique différents prédits par Albert Einstein sont impliqués. En 1905, Einstein a prédit que la lumière se propage dans l'espace par paquets d'énergie, que nous appelons photons ; deux ans plus tard, le scientifique a prédit que les énergies thermiques et sonores traversent l'espace dans d'autres paquets d'énergie - les phonons... Alors que les photons sont largement utilisés dans la technologie moderne, les phonons sont beaucoup plus sophistiqués en ce sens. Les phonons individuels sont généralement immergés dans un grand nombre de phonons aléatoires - la chaleur de leur propre environnement. Dans les détecteurs d' ondes gravitationnelles , les phonons réduisent la sensibilité des miroirs du détecteur lorsqu'ils rebondissent à l'intérieur.
Il y a cinq ans, les physiciens se sont rendu compte que les appareils combinant phonons et photons pouvaient résoudre le problème de la sensibilité insuffisante aux hautes fréquences . Les scientifiques ont montré que les appareils, dans lesquels l'énergie est transférée dans des paquets quantiques, qui ont les propriétés des phonons et des photons, peuvent également avoir des caractéristiques très remarquables.
Ces dispositifs impliquent un changement radical du concept familier appelé "amplification résonante". L'amplification résonnante se produit lorsque vous poussez légèrement une balançoire dans l'aire de jeux: si vous la poussez au bon moment, de petites secousses entraîneront de grandes balançoires. Un nouvel appareil , appelé WLC, doit amplifier toutes les fréquences de manière égale. C'est comme une balançoire, qui peut être poussée à tout moment, tout en réalisant un bon swing. Cependant, personne n'a encore compris comment fabriquer l'un de ces deux appareils, car les phonons à l'intérieur d'un tel appareil seront surchargés par des vibrations aléatoires qui se produisent en raison du chauffage.
Solutions quantiques
Dans nos travaux , publiés dans Communications Physics , nous montrons comment deux projets différents sur lesquels les scientifiques travaillent aujourd'hui peuvent augmenter la sensibilité des détecteurs.
- L'Institut Niels Bohr de Copenhague développe des dispositifs appelés cristaux phonons, dans lesquels les vibrations thermiques sont contrôlées par une structure cristalline taillée dans une fine membrane.
- Le centre d'excellence australien pour l'ingénierie des systèmes quantiques a également démontré un système alternatif où les phonons sont confinés à l'intérieur d'une lentille de quartz ultrapure.
L'article montre que ces deux systèmes satisfont aux exigences requises pour créer une «dispersion négative» qui propage les fréquences lumineuses à l'opposé du motif arc-en-ciel, laquelle dispersion est à son tour requise pour les WLC. Ajouté à l'arrière des détecteurs d'ondes gravitationnelles existants, les deux systèmes pourraient améliorer la sensibilité à des fréquences de plusieurs kilohertz d'un facteur 40 ou plus, ce qui est nécessaire pour entendre la naissance d'un trou noir.
Et après?
Nos recherches ne résolvent pas immédiatement le problème de l'amélioration des détecteurs gravitationnels. La conversion de ces appareils en outils pratiques présente d'énormes défis expérimentaux. Mais l'étude ouvre la voie à une multiplication par 40 de la sensibilité des détecteurs nécessaires pour observer la naissance des trous noirs.
Les astrophysiciens ont prédit des formes complexes d'ondes gravitationnelles créées par les convulsions d' étoiles à neutrons lorsque ces géantes forment des trous noirs... Ces ondes gravitationnelles pourraient nous permettre d'écouter la physique nucléaire d'une étoile à neutrons mourante. Par exemple, il a été démontré que ces ondes peuvent clairement montrer si les neutrons restent des neutrons dans une étoile, ou s'ils se désintègrent en une mer de quarks - les plus petites particules subatomiques. Si nous pouvions voir comment les neutrons se transforment en quarks puis disparaissent dans la singularité d'un trou noir, le processus observé serait l'exact opposé du Big Bang, lorsque les particules qui ont créé notre univers sont sorties de la singularité.