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Les ondes gravitationnelles

Traitement du bruit de fond pour récupérer 8 Ga.l. d'évolution de l'Univers (IV)

Dans un article publié en 2018 dans les "Physical Review Letters", B.P.Abbott et ses collègues estimaient que "chaque année, environ 2 millions d'étoiles à neutrons binaires et 150000 trous noirs binaires fusionnent quelque part dans l'Univers, rayonnant des ondes gravitationnelles. Seule une petite fraction de ces évènements avaient été détectés par les installations aLIGO, Advanced Virgo et KAGRA car les signaux des autres évènements sont trop faibles".

Abbott a obtenu ces chiffres sachant que statistiquement il y a "une paire de trous noirs fusionnant toutes les 200 secondes et une paire d'étoiles à neutrons fusionnant toutes les 15 secondes" que les scientifiques ne découvrent pas.

En 2019, aLIGO et aVirgo enregistrèrent des signaux provenant de la fusion de 35 trous noirs et étoiles à neutrons. C'était un résultat majeur, mais si on en croit Abbott et ses collègues, les chercheurs ont sans doute manqué d'autres évènements.

Ce problème suscita l'intérêt de Rory J. E. Smith du Centre ARC d'Excellence OzGrav de l'Université Monash en Australie et ses collègues qui décrivirent dans un article publié dans les "MNRAS" (en PDF sur arXiv) en 2020, comment les chercheurs pourraient déduire les propriétés des systèmes binaires compacts comme les fusions de trous noirs à partir des ondes gravitationnelles non résolues noyées dans le bruit de fond. Selon les chercheurs, en ne traitant pas ces signaux très faibles, nous avons perdu 8 milliards d'années-lumière d'évolution de l'Univers.

Le bruit de fond qui remplit l'Univers à différentes fréquences et en particulier entre 10 et 1000 Hz cache les signaux de millions d'évènements de fusions de trous noirs binaires parmi d'autres évènements. Seul un algorithme de traitement du signal pourrait les détecter. Le signal ci-dessus est probablement un parasite atmosphérique ou artificiel mais dans les deux cas tout à fait terrestre. Ce genre d'évènement est commun à travers tout le spectre radioélectrique. Document T.Lombry.

Selon Eric Thrane de l'OzGrav-Monash et coauteur de cet article, les ondes gravitationnelles générées par des fusions de trous noirs binaires "véhiculent des informations sur l'espace-temps et la matière nucléaire dans les environnements les plus extrêmes de l'Univers. Les observations individuelles des ondes gravitationnelles retracent l'évolution des étoiles, des amas stellaires et des galaxies. En rassemblant les informations de nombreux évènements de fusions, nous pouvons mieux comprendre les environnements dans lesquels vivent et évoluent les étoiles, et ce qui provoque leur éventuel effondrement sous forme de trous noirs. Plus nous détectons des ondes gravitationnelles de fusions lointaines, plus l'Univers est jeune. Nous pouvons ainsi retracer l'évolution des étoiles et des galaxies à travers les temps cosmiques, jusqu'à l'époque où l'Univers avait une fraction de son âge actuel".

Actuellement, les chercheurs peuvent déterminer certaines propriétés des populations de trous noirs binaires fusionnant, telles que la distribution des masses et le spin. La grande majorité de ces fusions produit des ondes gravitationnelles mais qui sont trop faibles pour être identifiées sans ambiguïté, de sorte que beaucoup d'informations sont actuellement perdues. Selon Smith, "De plus, les déductions faites sur la population de trous noirs peuvent être sensibles à un" biais de sélection" du fait que nous ne détectons qu'une poignée des systèmes les plus puissants et les plus proches. Le biais de sélection signifie que nous ne voyons qu'un aperçu des trous noirs plutôt que l'image complète".

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont développé une nouvelle technique de traitement du signal qui permettrait de "régler" ce bruit de fond et détecter la présence de ces évènements faibles qui, à ce jour, sont passés inaperçus, sans avoir à les détecter individuellement.

Si la méthode fonctionne, les chercheurs pourront passer au crible les térabytes de données des détecteurs d'ondes gravitationnelles et discriminer les signaux distinctifs des fusions de trous noirs binaires.

Selon Smith, cela "signifie que nous serons en mesure de regarder plus de 8 milliards d'années-lumière plus loin que nous observons actuellement. Cela nous donnera un aperçu de ce à quoi ressemblait l'Univers primordial tout en donnant un aperçu de l'évolution de l'Univers".

Selon Thrane, "La mesure du fond des ondes gravitationnelles nous permettra d'étudier des populations de trous noirs à de grandes distances. Un jour, la technique pourrait nous permettre de détecter les ondes gravitationnelles du Big Bang cachées derrière les ondes gravitationnelles des trous noirs et des étoiles à neutrons".

Si les tests en cours sont concluants, il faudra patienter jusqu'en 2026 et l'achèvement des divers upgrades pour découvrir les résultats du traitement réalisé par ces nouveaux algorithmes. Ce jour là, il est possible que l'on fasse un bon prodigieux dans les profondeurs de l'espace et dans nos connaissance de l'Univers. Affaire à suivre.

Améliorer la sensibilité de LIGO en réduisant le bruit quantique

Pour la première fois, des chercheurs ont pu mesurer les effets de fluctuations quantiques sur un objet à l'échelle humaine. Cette découverte a permis d'entrevoir un moyen pour réduire les effets du bruit de fond quantique et augmenter la sensibilité de LIGO. Les résultats de ces travaux ont fait l'objet d'un article publié dans la revue "Nature" (en PDF sur arXiv) en 2020.

Les chercheurs de la collaboration LIGO sont confrontés à un problème de sensibilité et ne peuvent pas discriminer un signal faible noyé dans le bruit de fond.

Pour tenter de résoudre ce problème, ils se sont demandés si l'installation serait suffisamment sensible pour détecter des effets plus subtils comme des fluctuations quantiques instrumentales, en particulier le bruit quantique généré parmi les photons émis par le système laser de LIGO. Selon Lee McCuller de l'Institut Kavli d'Astrohysique et de Recherche Spatiale du MIT et coauteur de cet article, "Cette fluctuation quantique de la lumière laser peut provoquer une pression de radiation qui peut réellement frapper un objet et le déplacer. L'objet dans notre cas est un miroir de 40 kg, qui est un milliard de fois plus lourd que les objets à l'échelle nanométrique".

Les physiciens ont d'abord mesuré le bruit total dans l'interféromètre LIGO, y compris le bruit de fond quantique, ainsi que le bruit classique, c'est-à-dire les perturbations générées par des vibrations normales et quotidiennes. Ils ont ensuite fabriqué un squeezer quantique, c'est-à-dire un "compresseur" quantique. Selon Haocun Yu, un postdoc au MIT qui participa à ces travaux, ce squeezer permet de "manipuler le bruit quantique du détecteur et réduire ses "coups" dans les miroirs d'une manière qui pourrait finalement améliorer la sensibilité de LIGO dans la détection des ondes gravitationnelles".

A voir  : Squeezing gravitational wave signals (no sound), OzGrav, 2020

A gauche, schéma de l'interféromètre LIGO équipé de son squeezer quantique. Un vide comprimé (en pointillé rouge) est injecté via la sortie
de l'isolateur de Faraday et se propage avec la lumière laser à 1064 nm (trait rouge) de l'interféromètre principal. Un champ de contrôle déphasé (orange) est utilisé pour détecter et régler l'angle de compression. A droite, les différents niveaux de bruits et de sensibilité de l'installation LIGO. La courbe verte indique le bruit quantique inféré par l'interféromètre avec un squeezer comprimant le signal à 35° et son modèle correspondant en violet. Documents L.McCuller et al. (2020) adaptés par l'auteur.

Les physiciens ont allumé le squeezer et l'ont placé dans un état spécifique qui modifia les propriétés du bruit quantique. Une analyse des données a ensuite permis de soustraire le bruit classique et isoler le bruit purement quantique dans l'interféromètre. Comme le détecteur surveille constamment le déplacement des miroirs et détecte tout bruit entrant, les chercheurs ont pu observer l'effet du bruit quantique sur des objets macroscopiques.

Lee McCuller précité et ses collègues sont parvenus à détecter un déplacement des miroirs de LIGO de 10-20 mètre (pour rappel l'atome d'hydrogène mesure 1010 mètre), un déplacement qui correspond exactement à ce que prédit la mécanique quantique pour un objet de cette taille, mais qui n'avait jamais été mesuré auparavant.

Les chercheurs se sont également demandés s'ils pouvaient manipuler le squeezer pour réduire le bruit quantique dans l'interféromètre afin d'améliorer sa sensibilité. Le squeezer quantique est conçu de telle sorte que lorsqu'il est réglé sur un état particulier, il "serre" certaines propriétés du bruit quantique, dans ce cas la phase et l'amplitude. Les fluctuations de phase peuvent être considérées comme résultant de l'incertitude quantique du temps de déplacement de la lumière, tandis que les fluctuations d'amplitude provoquent le déplacement des miroirs. Selon Yu, "Nous pensons que le bruit quantique est distribué sur différents axes, et nous essayons de réduire le bruit de manière spécifique".

Lorsque le squeezer est réglé sur un certain état, il peut par exemple comprimer ou réduire l'incertitude de phase, tout en se distendant ou en augmentant l'incertitude d'amplitude. La compression du bruit quantique à différents angles produirait différents rapports de bruit de phase et d'amplitude dans les détecteurs de LIGO. Les chercheurs se sont demandés si le changement d'angle de cette compression créerait des corrélations quantiques entre les lasers de LIGO et ses miroirs qui pourraient également être mesurées. En testant leur idée, l'équipe régla le squeezer sur 12 angles différents et constata qu'ils pouvaient en effet mesurer les corrélations entre les différentes distributions de bruit quantique dans le laser et le mouvement des miroirs.

Grâce à ces corrélations quantiques, les chercheurs sont parvenus à réduire le bruit quantique et le déplacement du miroir qui en résulte d'un facteur 1.4 soit 70% de son niveau normal. Par chance, cette mesure est inférieure à ce qu'on appelle la limite quantique standard qui, en mécanique quantique, indique le nombre de photons ou, dans le cas de LIGO, le niveau de puissance laser, générant des fluctuations capables de frapper tout objet sur son parcours. En utilisant la lumière comprimée pour réduire le bruit quantique, les chercheurs ont réduit l'incertitude quantique résiduelle de 3 dB en dessous de la limite quantique standard, une réduction suffisante du bruit pour permettre à LIGO de détecter à l'avenir des sources d'ondes gravitationnelles plus faibles et plus éloignées.

Grâce à cette amélioration, LIGO et Virgo pourraient également détecter la coalescence de trous noirs stellaires, notamment dans l'amas globulaire NGC 6397 (Caldwell 86) situé à 7800 années-lumière dans la constellation de l'Autel (Ara) comme l'ont suggéré Eduardo Vitral et Gary A. Mamon dans un article publié dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2021.

En guise de conclusion

100 ans exactement après la prédiction d'Einstein, la découverte des ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs fut une chance extraordinaire si peu de temps après l'installation de l'Advanced LIGO. Cette découverte espérée mais inattendue confirme une fois de plus la réalité de la théorie de la relativité générale et réconforte les physiciens comme les astronomes sur la validité de leurs modèles. Cette découverte va apporter des renseignements très précieux pour toute l'astronomie. En effet, les ondes gravitationnelles permettent de comprendre la structure des corps massifs dont celle des trous noirs en libérant les "censures cosmiques" de Penrose et permettent d'affiner les modèles de l'évolution stellaire.

Si jusqu'au 14 septembre 2015 on pouvait encore se cacher dans l'ombre des planètes, aujourd'hui la gravité éclaire l'univers jusque dans ses moindres recoins.

Reste à détecter les ondes gravitationnelles émises peu après le Big Bang. Leur détection à une température de 1 K sera marquée d'une pierre blanche dans l'histoire de la physique et de la cosmologie ! Jusqu'à présent, il n'y eut qu'une fausse alerte annoncée en 2015 suite à l'analyse des données de la mission Planck.

Pour plus d'informations

Logiciels et calculette

Black Hole Collision Calculator, Omni Calculator

Einstein@Home

Black Hole Hunter

Expériences

LIGO (USA), LIGO-India (IndIGO), VIRGO (EU), GEO600 (All.), KAGRA (JP), eLISA, LISA Pathfinder, OMEGA

Advanced LIGO (aLIGO)

LISA (eLISA)

Einstein gravitational wave Telescope (ET)

LIGO Scientific Collaboration (LSC)

GravWav (recherche sur les ondes gravitationnelles HFGW)

Dr. Robert M.L.Baker (HFGW)

Sur YouTube et Dailymotion

LIGO detects gravitational waves -- Press Conference, NSF/K.Thorne, 11 fév 2016

Warped Space and Time Around Colliding Black Holes, LIGO, fév 2016

The Sound of Two Black Holes Colliding, Caltech, fév 2016

LIGO Gravitational Wave Observatory, Tom's Hardware, 11 fév 2016

Articles scientifiques

W151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence, B.P.Abbott et al./LIGO, Phys. Rev L., 116, 241103, 15 June 2016

Is the gravitational-wave ringdown a probe of the event horizon? (arXiv),V.Cardoso et al., Phys. Rev. L., 116, 171101, 27 Apr. 2016

GW150914: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Binary Black Holes, B.P.Abbott et al., Phys. Rev.L., 116, 131102, 31 Mar 2016

The origin and evolution of LIGO's first gravitational-wave source (arXiv), K.Belczynski et al., 15 Feb. 2016

Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, B.P.Abbott et al./LIGO, Phys. Rev. L., 116, 6, 11 Feb. 2016

Plunge waveforms from inspiralling binary black holes (arXiv), J.Baker et al., Phys.Rev. L., 31 Aug. 2001

Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16 (arXiv), J.M.Weisberg et al., ApJ, 722, 2010

Discovery of a pulsar in a binary system, R.Hulse et J.Taylor, ApJ, 195, L51, 1975

Annonce de la découverte des ondes gravitationnelles le 11 fév 2016

Ondes gravitationnelles : comment la collision de 2 trous noirs a fait vibrer l'Univers, Science et Avenir, 11 fév. 2016

Ondes gravitationnelles : une détection directe historique, Pour la Science, 11 fév. 2016

Les ondes gravitationnelles détectées un siècle après avoir été prédites, Le Monde, 11 fév. 2016

Ondes gravitationnelles : Einstein triomphe à nouveau, Futura-Sciences, 11 fév. 2016

Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time, Science, 11 fév. 2016

Einstein's gravitational waves found at last, Nature, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Discovered from Colliding Black Holes, Scientific American, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Discovered at Long Last, Quanta Magazine, 11 fév. 2016

Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction, Phys.org, 11 fév. 2016

Found! Gravitational Waves, or a Wrinkle in Spacetime, National Geographic, 11 fév. 2016

In Historic First, Einstein's Gravitational Waves Detected Directly, Space.com, 11 fév. 2016

Gravitational Wave Detection Heralds New Era of Astronomy, Sky & Telescope, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory, The New York Time, 11 fév. 2016

Scientists Confirm Einstein’s Theory of Gravitational Waves, Time Magazine, 11 fév. 2016

Gravitational Waves Found in 1.3 Billion Year Old Black Hole Collision, PBS, 11 fév. 2016

Actualité et commentaires sur les ondes gravitationnelles

Tweet du président Obama, 12 février 2016

LIGO Laboratory News

Dossier LIGO, Journal du CNRS

La lumière gravitationnelle : l'évènement GW150914, Jean-Pierre Luminet (sur son blog)

LIGO and Shot Noise (PDF, support de cours de physique appliquée), U.Columbia

Le blog d'Amber Stuver (membre de la Collaboration Scientifique LIGO)

Gravitational Wave Event Likely Signaled Creation of a Black Hole (GW170817), Chandra, 31 mai 2018

Ondes, matière et Univers, G.Belaubre et al., EDP Sciences, 2018

NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event (GW170817), Chandra, 16 octobre 2017

LIGO Catches its Third Gravitational Wave! (GW170104), LIGO, 1 juin 2017

Ripples in Spacetime: Our New Window on the Universe (conférence vidéo), LIGO, 23 fév. 2016

Riding the Wave (How LIGO and Physical Review Letters worked together to publish the paper of a lifetime), Inside Highered, 24 fév. 2016

Gravitational waves: How LIGO forged the path to victory, Nature, 16 fév. 2016

INTEGRAL upper limits on gamma-ray emission associated with event GW150914 (pas d'émission gamma), INTEGRAL/ESA, 12 fév. 2016

Fermi GBM Observations of LIGO Gravitational Wave event GW150914 (prétendu évènement gamma lié à GW150914, arXiv), 11/16 fév. 2016

When Einstein Was Wrong, Lawrence Krauss, The New York Time, 12 fév. 2016

Remembering Joseph Weber, the controversial pioneer of gravitational waves, Science, 12 fév. 2016

Observing gravitational-wave transient GW150914 with minimal assumptions (arXiv), LIGO, 11 fév. 2016

Here’s the first person to spot those gravitational waves (Marco Drago), Science, 11 fév. 2016

How LIGO Detected Gravitational Waves, PBS, 11 fév. 2016.

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