À l'écoute des cieux : la découverte des ondes gravitationnelles a donné raison à Einstein

en partenariat avec NOM

L'événement était capital - et la déclaration l'annonçant au monde est venue sur un ton dûment excité, tout en étant sobre et précis : Mesdames et messieurs, nous... avons détecté... des ondes gravitationnelles ! Nous l'avons fait!

Avec ces mots, David Reitze, directeur exécutif du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a révélé la découverte à une salle remplie de journalistes au National Press Club à Washington, DC, le 11 février 2016. (La détection réelle survenu le 14 septembre 2015.)

Cette découverte a fourni la première preuve à l'appui de la croyance d'Albert Einstein en l'existence d'ondes gravitationnelles qui faisait partie de sa théorie générale de la relativité. Un nouveau domaine de recherche scientifique, appelé astronomie des ondes gravitationnelles, a alimenté cette réalisation remarquable au LIGO, grâce à l'utilisation d'un dispositif laser, appelé interféromètre, qui comprend des capteurs de haute précision, des amplificateurs opérationnels et d'autres produits d'Analog Devices, Inc. (ADI).

La source de l'onde gravitationnelle était la collision de deux trous noirs, à 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre, qui a créé une puissance d'onde gravitationnelle 10 fois supérieure à l'énergie rayonnée combinée de toutes les étoiles de l'univers.

Ils ont trouvé les ondes [gravitationnelles] d'Einstein 100 ans plus tard, et c'est arrivé ici, et voici la machine qui l'a fait, s'émerveille David Kress, directeur du marketing technique chez ADI et ancien élève du MIT. Il n'y a rien de mieux - et je sais que nos parts sont dedans.

A l'écoute de l'univers

LIGO se compose de deux observatoires et installations - l'un à Hanford, Washington, et l'autre à Livingston, Louisiane - qui ont tous deux commencé à fonctionner en 2002. La National Science Foundation (NSF) a financé ce projet de physique à grande échelle, et ces installations ont ensuite été créé, construit et exploité par Caltech et MIT. Les observatoires jumeaux, qui comptent parmi les projets financés par la NSF les plus importants et les plus ambitieux à ce jour, ont été conçus pour observer les ondes gravitationnelles astrophysiques, qui ne peuvent pas être vues. La seule façon de détecter l'existence d'ondes gravitationnelles est d'écouter le ciel.

Chaque installation LIGO place un laser dans un ultra-vide, divise le laser en deux et envoie chaque faisceau dans l'un des deux bras de 2,5 milles perpendiculaires l'un à l'autre. Les faisceaux laser sont ensuite réfléchis par des miroirs placés aux extrémités des bras.

Les interféromètres sont des outils d'investigation couramment utilisés en science et en ingénierie. Ils fonctionnent en fusionnant deux ou plusieurs sources de lumière pour créer un motif d'interférence, qui peut être mesuré et analysé. Les interféromètres de LIGO sont conçus pour détecter des mesures trop petites pour être obtenues par d'autres méthodes.

Lorsqu'une onde gravitationnelle passe, elle altère le temps dans la zone environnante, provoquant un mouvement infime des bras l'un par rapport à l'autre, de l'ordre de 1/1000ème de la largeur d'un proton. Cela modifie les phases relatives de la lumière renvoyée une fois que les appareils reçoivent les données, libérant de la lumière vers un capteur optique, ce qui se traduit par un signal ou un signal mesurable.

Quand vous pensez à un observatoire traditionnel, vous obtenez une image mentale de quelqu'un regardant à travers un viseur, regardant dans l'espace à travers un télescope conçu pour recevoir la lumière, explique Rich Abbott, concepteur principal de circuits analogiques chez LIGO. Ce que fait LIGO, et ce qui le rend unique, c'est qu'il mesure les ondes gravitationnelles, qui ne se manifestent pas comme la lumière. Pour décrire la sensibilité exceptionnelle de l'interféromètre de LIGO, il le compare à une balance : si vous pouviez enlever tout le sable de toutes nos plages sur Terre et l'empiler sur la balance, le détecteur LIGO est suffisamment sensible pour que vous puissiez détecter l'enlèvement de moins d'un grain de sable.

Haute Performance : Technologie LIGO et ADI

LIGO utilise une foule de technologies de circuits intégrés d'ADI. Les interféromètres LIGO fonctionnent en prédisant et en compensant toutes les sources possibles de bruit ambiant et de vibration. Cela signifie que la sortie laser utilisée par l'interféromètre doit rester ultra-stable, avec des variations de fréquence et d'amplitude extrêmement faibles.

Pour cette raison, l'équipe LIGO avait besoin d'un système de rétroaction pour mesurer correctement le flux lumineux tout en contrôlant l'amplitude. Cela nécessitait un amplificateur à très faible bruit avec des performances élevées. L'équipe LIGO a choisi l'amplificateur opérationnel (ou ampli op) AD797 d'ADI pour ses capacités à très faible bruit et à faible distorsion. L'ampli op AD797 est également utilisé dans les applications d'imagerie infrarouge et sonar, entre autres utilisations. D'autres produits ADI sont également utilisés dans la technologie LIGO :

• Le capteur de température haute précision AD590 d'ADI stabilise la fréquence laser et mesure la température moyenne de la chambre à vide en verre qui abrite le laser.
• La sortie du laser peut rapidement atteindre des kilowatts dans les cavités résonnantes des bras, déformant les mesures. LIGO utilise un amplificateur opérationnel haute tension ADA4700 pour piloter des actionneurs électrostatiques afin de maintenir les miroirs alignés.
• Les solénoïdes pilotent le système de suspension des miroirs de LIGO. Dans ce système, la puce AD736 RMS mesure la puissance délivrée aux solénoïdes, permettant toute inclinaison, tangage et lacet requis et précis.

La stabilisation de l'amplitude du laser est l'une des clés de sa reconnaissance réussie des ondes gravitationnelles, car les fluctuations pourraient apparaître comme des signaux, note Abbott. C'est pourquoi nous avions besoin d'une solution aussi ciblée, sans variété de jardin.

Prouver Einstein par la performance

La toute première image d'un véritable signal d'onde gravitationnelle a été initialement détectée à LIGO Livingston ; puis à peine 7 millisecondes plus tard, il est arrivé sur le site de Hanford. La découverte s'est produite au cours de la première semaine d'utilisation des nouveaux détecteurs laser LIGO avancés, qui comprenaient les technologies de circuits intégrés ADI. L'équipe LIGO était ravie de détecter les ondes gravitationnelles si peu de temps après l'installation du nouvel appareil - et que le signal était si fort qu'il était indubitable.

Le décalage entre la découverte du signal d'onde gravitationnelle et son dévoilement public reflétait le besoin de l'équipe d'enquêter et de confirmer qu'il était bien réel. Pendant plusieurs semaines, les scientifiques du LIGO ont mené des expériences dans les deux observatoires pour exclure la possibilité qu'une anomalie instrumentale ou un problème logiciel ait causé les signaux. Finalement, les scientifiques ont effectué ce que l'on appelle une analyse de corrélation et de couplage, qui a conclu que le signal ne pouvait provenir que de l'espace lointain. Tout le personnel de LIGO a prêté serment de garder le secret jusqu'à l'annonce publique.

Plus tard, une deuxième onde gravitationnelle a été détectée le jour de Noël 2015. Encore une fois, les scientifiques ont mené une enquête approfondie et, après avoir confirmé l'origine cosmique du signal, ont annoncé sa détection le 15 juin 2016.

Quand Einstein a proposé l'existence d'ondes gravitationnelles et de trous noirs, il pensait qu'il serait pratiquement impossible de les vérifier. Le fait que les capteurs ADI et d'autres dispositifs aient contribué à la précision des interféromètres qui ont finalement accompli cet exploit reste une source de grande fierté pour ceux qui ont participé au développement de la technologie.

Analog Devices prend en charge des applications de précision pour l'observation de la Terre, le positionnement des communications spatiales, les lanceurs et l'exploration spatiale depuis plus de 40 ans maintenant, déclare Bob Barfield, directeur de l'aérospatiale et de la défense chez ADI. Quand vous pensez à ce qu'il y a dans l'espace et à ce qu'il y a au-delà de ce que nous savons actuellement, c'est ahurissant. Certaines des choses qui sont découvertes - c'est juste excitant de penser que nous sommes à la limite de cela.

Pour en savoir plus et visionner une vidéo sur le projet LIGO, visitez www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

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