COLUMBUS, Ohio - Un détecteur d'ondes gravitationnelles de 4 km de long n'est pas cool. Tu sais ce qui est cool? Un détecteur d'ondes gravitationnelles de 25 miles de long.
C'est le résultat d'une série de conférences prononcées ici samedi 14 avril lors de la réunion d'avril de l'American Physical Society. La prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles scrutera jusqu'au bord extérieur de l'univers observable, à la recherche d'ondulations dans le tissu même de l'espace-temps, qui, selon Einstein, se produiraient lorsque des objets massifs comme des trous noirs entrent en collision. Mais il y a encore des défis importants qui entravent leur construction, ont déclaré les présentateurs à l'auditoire.
"Les détecteurs actuels que vous pourriez penser sont très sensibles", a déclaré Matthew Evans, physicien au MIT. "Et c'est vrai, mais ce sont aussi les détecteurs les moins sensibles avec lesquels vous pouvez détecter les ondes gravitationnelles."
Les détecteurs de courant, bien sûr, ne sont pas à éternuer. Lorsque l'Observatoire des ondes gravitationnelles (LIGO) de 2,5 milles de long (4 kilomètres) a détecté pour la première fois un espace-temps croissant et rétréci en 2015 - l'écho gravitationnel d'une collision vieille de 1,3 milliard de milliards d'années entre deux trous noirs - il a prouvé l'existence de vastes ondes gravitationnelles invisibles qui étaient autrefois entièrement théoriques, et a conduit en seulement deux ans à un prix Nobel pour les créateurs de LIGO.
Mais LIGO et son cousin, l'instrument italien Virgo, long de 1,9 mile (3 km), sont fondamentalement limités, ont déclaré les intervenants. Les deux détecteurs ne sont vraiment capables de repérer les ondes gravitationnelles d'objets qui sont relativement proches de la Terre à l'échelle de l'univers entier, a déclaré le physicien du MIT Salvatore Vitale. Ils sont également limités dans les types d'objets qu'ils peuvent détecter.
Jusqu'à présent, la génération actuelle d'interféromètres n'a donné que deux résultats majeurs: la détection en 2015 d'une fusion de trous noirs et la détection en août 2017 de la collision de deux étoiles à neutrons (également un sujet brûlant lors de la conférence). Il y a eu quelques autres collisions de trous noirs détectées, mais elles n'ont pas offert beaucoup de résultats étonnants en plus de la première détection.
Construisez des LIGO et des Vierges plus précis et à plus grande échelle, ou un autre type de détecteur à grande échelle appelé «télescope Einstein», a déclaré Evans, et le taux de détection des ondes pourrait passer de quelques mois à plus d'un million chaque année. .
"Quand je dis que ces détecteurs nous amènent au bord de l'univers, je veux dire qu'ils peuvent détecter presque tous les systèmes binaires qui fusionnent", a-t-il déclaré, faisant référence à des paires d'étoiles, des trous noirs et des étoiles à neutrons qui entrent en collision.
Cela signifie la possibilité de détecter des trous noirs depuis les toutes premières années de l'univers, de sonder de profonds mystères de la gravité, et même potentiellement de détecter, pour la première fois, les ondes gravitationnelles d'une étoile allant en supernova et s'effondrant dans une étoile à neutrons ou un trou noir .
Plus c'est gros, mieux c'est
Alors pourquoi des détecteurs plus gros conduisent-ils à des recherches plus sensibles des ondes gravitationnelles? Pour comprendre cela, vous devez comprendre le fonctionnement de ces détecteurs.
LIGO et Virgo sont, comme Live Science l'a déjà signalé, des règles géantes en forme de L. Deux tunnels se ramifient à angle droit l'un de l'autre, à l'aide de lasers pour effectuer des mesures instantanées extrêmement fines de la longueur des tunnels. Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse le détecteur, agitant l'espace lui-même, cette longueur change un tout petit peu. Ce qui était autrefois un mile devient, brièvement, un peu moins d'un mile. Et le laser, parcourant cette distance plus courte légèrement plus rapidement, démontre que le changement s'est produit.
Mais il y a une limite à la précision de cette mesure. La plupart des ondes font onduler le laser beaucoup trop légèrement pour que les interféromètres le remarquent. L'amélioration de la technologie de détection dans les tunnels existants de LIGO et Virgo peut quelque peu améliorer les choses, a déclaré Evans, et il est prévu de le faire. Mais pour vraiment amplifier le signal, a-t-il dit, la seule option est d'aller beaucoup plus gros.
Un détecteur en forme de L avec des bras de 40 km de long, 10 fois la taille du LIGO, est la prochaine étape, a déclaré Evans. Il a appelé la proposition un "explorateur cosmique". Il serait assez grand pour détecter à peu près tout ce qu'un détecteur d'ondes gravitationnelles pourrait éventuellement détecter, a-t-il dit, mais pas si grand que la physique sous-jacente commence à s'effondrer ou que les coûts deviennent incroyablement élevés, même pour ce type de science coûteuse et sanglante projet. (Le coût final de LIGO a atteint des centaines de millions de dollars.)
Alors pourquoi un détecteur de cette taille, plutôt que deux ou dix fois plus gros?
À un certain point, d'environ 24,86 miles (40 km) de long, a déclaré Evans, la lumière met tellement de temps à se déplacer d'un bout à l'autre du tunnel que l'expérience peut devenir floue, ce qui rend les résultats moins précis plutôt que plus.
Les coûts sont au moins aussi difficiles. LIGO et Virgo sont suffisamment petits pour que la courbure de la Terre ne soit pas un défi de construction important, a déclaré Evans. Mais à 40,86 miles (40 km) par bras, placer les extrémités de chaque tunnel au niveau du sol signifie que les centres des tunnels doivent être à 98,43 pieds (30 mètres) sous terre (en supposant que le sol est parfaitement de niveau).
"Plus de 40 kilomètres", a déclaré Evans, "la distance de transport de la saleté commence à prendre le dessus sur les coûts."
Il y a aussi le problème de base de trouver un espace vide plat suffisamment grand pour construire un si grand détecteur. Evans a déclaré qu'il n'y avait pratiquement nulle part en Europe une région suffisamment grande et qu'aux États-Unis, les options sont limitées à la région du Grand Lac Salé en Utah et au désert de Black Rock au Nevada.
Ces défis spatiaux sont à l'origine de la conception alternative d'un détecteur d'ondes gravitationnelles massives, appelé télescope Einstein. Bien qu'une forme en L soit la meilleure façon de mesurer une onde gravitationnelle, a expliqué Evans, un triangle avec trois tunnels et plusieurs détecteurs peut faire un travail presque aussi bon tout en occupant un espace beaucoup plus petit, idéal pour les limitations géographiques de l'Europe.
Ces détecteurs sont encore à 15 ou 20 ans de leur achèvement, a déclaré Vitale, et toute la technologie nécessaire pour les construire n'a pas encore été inventée. Pourtant, lui et Evans ont tous deux déclaré aux scientifiques réunis que "le moment était venu" de commencer à travailler sur eux. Déjà, a déclaré Vitale, huit groupes de travail préparent un rapport sur la justification scientifique de ces appareils massifs, qui devrait paraître en décembre 2018.
Un membre de l'auditoire a demandé à Evans s'il était judicieux de construire, par exemple, un détecteur de 8 km de long alors qu'un véritable explorateur cosmique ou un télescope Einstein à grande échelle reste à plus d'une décennie.
S'il faisait partie d'un comité de financement, il n'approuverait pas un tel projet, car les résultats scientifiques du doublement de la taille de LIGO ne sont tout simplement pas si importants, a déclaré Evans. Ce n'est qu'à la limite supérieure de la taille du tunnel que les coûts d'un tel projet seraient justifiés, a-t-il ajouté.
"A moins que je ne sache que pour une raison quelconque, cela n'en vaut pas la peine", a-t-il déclaré.
Pourtant, Vitale a déclaré que cela ne signifie pas que les scientifiques doivent attendre 15 à 20 ans pour la prochaine phase majeure des résultats des ondes gravitationnelles. Au fur et à mesure que de nouveaux détecteurs à l'échelle actuelle seront mis en ligne, y compris le détecteur à ondes gravitationnelles Kamioka de taille vierge (KAGRA) au Japon et le LIGO de taille LIGO-Inde, et à mesure que les détecteurs existants s'amélioreront, les chercheurs auront la possibilité de mesurer les ondes gravitationnelles individuelles sous plusieurs angles à la fois, permettant plus de détections et des conclusions plus détaillées sur leur provenance.
