Comment les atomes gelés pourraient nous aider à en savoir plus sur les ondes gravitationnelles

Le prototype MORE-100 Département américain de l'énergie

Quatre ans se sont écoulés depuis la première détection des ondes gravitationnelles, ces étranges oscillations dans l'espace-temps provoquées par la collision de deux objets massifs dans l'espace. La découverte de ce signal a confirmé la théorie centenaire de la relativité générale d'Einstein, selon laquelle l'accélération des objets produit des courbures dans l'espace-temps qui se propagent en ondes. Depuis lors, les scientifiques ont observé ces signaux des dizaines de fois, provenant de nombreuses parties différentes de l'univers et causés par des types très différents de collisions cosmiques.

Mais depuis cette première détection historique, les scientifiques essaient de déterminer exactement ce que ces observations peuvent nous dire sur l'univers. Malheureusement, tous ont une limitation sérieuse : ils sont un instantané étroit du moment où les deux objets se heurtent, et rien d'autre. Pire encore, parce que nous n'avons aucune anticipation avant que ces événements ne se produisent, nous ne pouvons même pas vraiment utiliser d'autres instruments pour les étudier. Sans plus de contexte, les ondes gravitationnelles que nous détectons ne peuvent nous en dire que tant avant d'épuiser leur utilité.

La clé pour tirer le meilleur parti de ces signaux pourrait provenir d'une nouvelle expérience prenant forme au plus profond d'un puits vertical de 100 mètres (320 pieds) au Fermilab à Batavia, dans l'Illinois. Il s'agit de MAGIS-100, un projet conçu pour voir si le tir d'atomes gelés avec des lasers peut être utilisé pour observer des signaux ultra-sensibles qui pourraient s'étendre à travers l'espace-temps. En cas de succès, cela pourrait aider à inaugurer une nouvelle ère d'interférométrie atomique qui pourrait révéler certains des secrets des ondes gravitationnelles, de la matière noire, de la mécanique quantique et d'autres sujets captivants.

Voici comment MAGIS-100 devrait fonctionner : les atomes sont refroidis à une fraction au-dessus du zéro absolu (pour les maintenir stables), puis déposés dans une chambre à vide logée dans l'arbre. Un laser est pulsé dans cette chambre entre les atomes en chute libre, et le temps nécessaire à la lumière pour se déplacer de l'un à l'autre est mesuré. Étant donné que la lumière dans le vide se déplace à une vitesse constante, ce temps doit être prévisible avec précision. Tout retard serait vraisemblablement causé par des signaux externes sensibles - des ondes gravitationnelles, ou potentiellement autre chose.

Ce n'est pas tout à fait différent du fonctionnement des interféromètres conventionnels. À la base, MAGIS-100 est une sorte de version réduite des interféromètres LIGO qui ont effectué les premières détections d'ondes gravitationnelles en 2015. La différence est que LIGO utilise des miroirs espacés de plusieurs kilomètres au lieu d'atomes. Ces miroirs sont sensibles aux perturbations causées par les perturbations du sol, ce qui rend plus difficile la distinction entre les signaux réels et les faux bruits. En théorie, un atome en chute libre ne sera pas affecté de cette manière.

Le physicien de l'Université de Stanford, Jason Hogan, l'un des chefs de file du projet, compare la technologie derrière MAGIS-100 à un hybride d'un interféromètre et d'une horloge atomique. Ces atomes agissent essentiellement comme de très bons chronomètres qui gardent le temps sur la propagation de la lumière et recherchent les fluctuations causées par d'autres signaux, dit-il.

La comparaison de l'horloge atomique a du sens. Alors que le prédécesseur de 10 mètres du MAGIS-100 utilisait des atomes de rubidium, l'instrument actuel utilisera des atomes de strontium, qui sont actuellement utilisés dans les meilleures horloges atomiques au monde. Ils sont moins sensibles aux champs magnétiques externes que les autres atomes, ce qui signifie qu'ils perdent une seconde au cours de la durée de vie de l'univers, explique Hogan.

L'espoir est qu'une future version plus grande de MAGIS-100 sera capable de capter des événements d'ondes gravitationnelles qui ne relèvent pas des grands projets tels que LIGO ou Virgo, qui est basé en Italie.

LIGO se limite à mesurer des signaux à des fréquences comprises entre 10 hertz et 1 kilohertz. Cela signifie qu'il ne peut que capter des événements massifs comme les fusions entre deux trous noirs ou deux étoiles à neutrons . Au début de ces événements, des ondes gravitationnelles à des fréquences inférieures à 10 Hz sont émises lorsque les objets commencent à orbiter les uns autour des autres. Plus ils se rapprochent, plus ils orbitent rapidement (près de 300 orbites par seconde), tournant si vite qu'ils finissent par produire des ondes gravitationnelles supérieures à 10 Hz. Ces événements en rafale durent environ 100 secondes avant que la fusion ne soit terminée et les ondes gravitationnelles se réduisent à des fréquences beaucoup plus basses. Ce que LIGO peut voir n'est en fait que la fin d'un long processus qui commence bien en amont.

L'interférométrie atomique, quant à elle, pourrait mesurer des fréquences de 10 Hz à 100 MHz ou moins. Il pourrait détecter des ondes gravitationnelles plus petites émises des mois, voire un an avant un événement en rafale. Cela aiderait non seulement à révéler une image plus complète de la façon dont ces phénomènes plus importants se produisent et pourquoi, mais cela pourrait également avertir les scientifiques où et quand ils se produiront. Cela permettrait de gagner du temps pour mettre en place un équipement qui pourrait les observer par d'autres moyens, notamment les ondes radio, la lumière optique, l'infrarouge, le rayonnement UV, les rayons X et les rayons gamma.

Mon scénario de rêve, dit Hogan, est de faire une détection d'une source dans la bande médiane, comme une étoile à neutrons ou un binaire de trou noir ; comprendre d'où il vient dans le ciel ; et donnez à chacun une date, une heure et un lieu pour pointer ses autres instruments. Nous pourrions être en mesure de regarder cette fusion se produire en temps réel.

Être capable de capter ces fréquences plus basses pourrait signifier que les ondes gravitationnelles émises par des phénomènes plus silencieux et moins massifs pourraient également être étudiées. Cela pourrait nous donner la chance de répondre à certaines questions cosmologiques sur la façon dont l'univers primitif s'est formé et a évolué, dit Hogan.

Par exemple, l'interférométrie atomique pourrait également avoir un impact sur la recherche de matière noire. Certaines théories suggèrent que la matière noire est un matériau de masse ultra-faible qui se comporte davantage comme une onde électromagnétique. Sa présence pourrait conduire à de petites interactions qui provoqueraient des effets énergétiques mesurables de l'ordre d'environ 1 Hz. Hogan et ses collègues sont impatients de tester si MAGIS-100, ou une version plus grande, pourrait détecter ces signaux et éventuellement permettre un aperçu direct de la matière noire elle-même.

Vous avez deux objectifs d'investigation qui peuvent être poursuivis en même temps avec le même détecteur, explique Oliver Buchmueller, l'un des dirigeants du Réseau et observatoire interférométrique atomique (AION) projet au Royaume-Uni, une proposition similaire à MAGIS. C'est une façon extrêmement intrigante de faire d'une pierre deux coups.

Tout cela est spéculatif pour l'instant. MAGIS-100 n'est qu'un prototype expérimental. Un interféromètre atomique devrait mesurer plus d'un kilomètre de long pour être suffisamment sensible pour faire des découvertes liées aux ondes gravitationnelles. Hogan dit que lui et ses collègues élaborent déjà des idées pour une version d'un kilomètre de long et réfléchissent à des versions satellites de la technologie, où l'interférométrie atomique pourrait vraiment briller.

La physicienne de Caltech Rana Adhikari, qui travaille sur LIGO, prévient que même si vous utilisez des atomes au lieu de miroirs, vous êtes toujours confronté à des changements - extrêmement petits, mais toujours problématiques - dans le champ de gravité terrestre. Un interféromètre atomique basé dans l'espace, en revanche, serait effectivement l'instrument le plus sensible jamais construit, capable d'observer les ondes gravitationnelles aux fréquences les plus basses imaginables. Ce serait la sensibilité ultime atteinte pour ce type de science, dit Buchmueller.

Les chercheurs de Stanford ne sont pas les seuls à s'intéresser à cette technologie, même s'ils sont certainement en tête du peloton. Outre AION, des groupes de La France et Chine développent également des systèmes d'interférométrie atomique, mais avec des modifications (en France, par exemple, l'appareil fonctionne horizontalement). Tout comme LIGO utilise trois détecteurs différents pour confirmer les signaux d'ondes gravitationnelles, Buchmueller espère que ces différents projets d'interférométrie atomique pourront valider les découvertes de chacun et prouver que la technologie est la vraie affaire.

Jusqu'à présent, l'équipe de Stanford met la touche finale au prototype MAGIS-100 lui-même et construit les sources d'atomes de strontium. Du côté du Fermilab, l'installation est en cours. Idéalement, nous verrons l'appareil complètement installé à l'été 2021 et mis en service à l'automne. Les tests se dérouleront sur les trois années suivantes.

À plus long terme, Buchmueller pense que ces travaux ont également la possibilité d'influencer des applications au-delà de la chasse aux ondes gravitationnelles. La possibilité de construire des capteurs aussi sensibles et de les réduire en appareils compacts pourrait éventuellement être utile pour la navigation maritime ou les applications militaires, dit-il.

Nous pourrions voir un avenir où un appareil portable pouvant tenir dans une voiture pourrait être utilisé pour aider à la prospection pétrolière, rechercher des défauts structurels ou détecter des tremblements de terre bien à l'avance, dit Adhikari. Il se pourrait que l'interférométrie atomique et ses technologies dérivées s'avèrent beaucoup plus bénéfiques pour l'humanité à long terme, dit-il.

cacher