Vue aérienne du détecteur d'ondes gravitationnelles Vierge situé dans la municipalité de Cascina près de la ville de Pise en Italie. Virgo est un interféromètre laser géant de Michelson de 3 km de long avec des épaules complétant deux détecteurs LIGO identiques de 4 km.Au cours des trois dernières années, l'humanité a adopté un nouveau type d'astronomie, qui diffère des traditionnelles. Pour étudier l'univers, nous ne captons plus seulement la lumière avec un télescope ou un neutrino à l'aide d'énormes détecteurs. De plus, pour la première fois, nous pouvons également voir les ondulations inhérentes à l'espace lui-même: les ondes gravitationnelles.
Les détecteurs LIGO maintenant complétés par
Virgo , et seront bientôt complétés par
KAGRA et LIGO India, ont des bras extrêmement longs qui se dilatent et se contractent au fur et à mesure que les ondes gravitationnelles passent, produisant un signal détectable. Mais comment ça marche? Notre lecteur demande:
Si les longueurs d'onde de la lumière s'étirent et se contractent avec l'espace-temps lui-même, comment LIGO peut-il détecter les ondes gravitationnelles? Après tout, ils se dilatent et compressent les deux bras du détecteur, de sorte que les ondes à l'intérieur doivent également se dilater et se contracter. Le nombre de longueurs d'onde qui s'insèrent dans l'épaule ne restera-t-il pas constant, de sorte que le motif d'interférence ne changera pas et que les ondes ne seront pas détectables?
C'est l'un des paradoxes les plus courants auxquels les gens pensent à propos des ondes gravitationnelles. Voyons cela et trouvons une solution!
En fait, un système comme LIGO ou LISA n'est qu'un laser, dont le faisceau traverse le séparateur, suit les mêmes chemins perpendiculaires, puis converge à nouveau en un seul et crée une image d'interférence. Avec un changement de longueur d'épaule, l'image change également.Le détecteur d'ondes gravitationnelles fonctionne comme ceci:
- Deux longues épaules de la même longueur sont créées, dans lesquelles un nombre entier de certaines longueurs d'onde de lumière s'insèrent.
- Toute matière est enlevée des épaules et un vide idéal est créé.
- La lumière cohérente de la même longueur d'onde est divisée en deux composantes perpendiculaires.
- L'un va sur une épaule, l'autre sur l'autre.
- La lumière est réfléchie des milliers de fois aux deux extrémités de chaque épaule.
- Puis il se recombine, créant un motif d'interférence.
Si la longueur d'onde reste la même et que la vitesse de transmission de la lumière sur chaque épaule ne change pas, alors la lumière se déplaçant dans des directions perpendiculaires arrivera en même temps. Mais si dans une des directions il y a un vent de face ou vent arrière, l'arrivée sera retardée.Si l'image des interférences ne change pas du tout en l'absence d'ondes gravitationnelles, vous savez que le détecteur est correctement configuré. Vous savez que vous avez pris en compte le bruit et que l'expérience est correctement organisée. Depuis près de 40 ans, LIGO se bat avec une telle tâche: essayer d'étalonner correctement leur détecteur et amener la sensibilité au point où l'expérience peut reconnaître les vrais signaux des ondes gravitationnelles.
L'amplitude de ces signaux est incroyablement petite, et il était donc si difficile d'obtenir la précision nécessaire.
Sensibilité LIGO en fonction du temps par rapport à la sensibilité de l'expérience Advanced LIGO. Des éclats apparaissent en raison de diverses sources de bruit.Mais après avoir atteint ce que vous voulez, vous pouvez déjà commencer à rechercher un vrai signal. Les ondes gravitationnelles sont uniques parmi tous les différents types de rayonnement apparaissant dans l'univers. Ils n'interagissent pas avec les particules, mais sont des ondulations du tissu même de l'espace.
Ce n'est pas un rayonnement monopolaire (transfert de charge) et non dipolaire (comme les oscillations de champs électromagnétiques), mais la forme d'un rayonnement quadripolaire.
Et au lieu que les champs électriques et magnétiques à correspondance de phase soient perpendiculaires à la direction du mouvement des vagues, les ondes gravitationnelles étirent et compressent alternativement l'espace à travers lequel elles passent dans des directions perpendiculaires.
Les ondes gravitationnelles se propagent dans une direction, étirant et compressant alternativement l'espace dans des directions perpendiculaires, déterminées par la polarisation de l'onde gravitationnelle.Par conséquent, nos détecteurs sont conçus de cette façon. Lorsqu'une onde gravitationnelle traverse un détecteur de type LIGO, l'une de ses épaules se contracte et l'autre se dilate, et vice versa, donnant une image d'oscillation mutuelle. Les détecteurs sont spécialement situés à des angles les uns des autres et à différents endroits de la planète, de sorte que, quelle que soit l'orientation de l'onde gravitationnelle qui les traverse, ce signal n'affecte pas au moins l'un des détecteurs.
En d'autres termes, quelle que soit l'orientation de l'onde gravitationnelle, il y aura toujours un détecteur dans lequel un bras est raccourci et l'autre est allongé de manière oscillatoire prévisible lorsque l'onde traverse le détecteur.
Qu'est-ce que cela signifie dans le cas de la lumière? La lumière se déplace toujours à une vitesse constante c, de 299 792 458 m / s. C'est la vitesse de la lumière dans le vide, et il y a des chambres à vide à l'intérieur des épaules LIGO. Et lorsqu'une onde gravitationnelle traverse chacune des épaules, l'allongeant ou la raccourcissant, elle allonge ou raccourcit également la longueur d'onde de la lumière à l'intérieur d'une quantité appropriée.
À première vue, nous avons un problème: si la lumière s'allonge ou se raccourcit avec un allongement ou un raccourcissement des épaules, le schéma d'interférence global ne devrait pas changer avec le passage de l'onde. C'est ce que l'intuition nous dit.
Cinq fusions de trous noirs avec des trous noirs découverts par LIGO (et Virgo), et un autre, sixième signal de signification insuffisante. Jusqu'à présent, le plus massif des BH observés dans LIGO avait 36 masses solaires avant la fusion. Cependant, les galaxies ont des trous noirs supermassifs, avec des masses dépassant le solaire de millions voire de milliards de fois, et bien que LIGO ne les reconnaisse pas, LISA peut le faire. Si la fréquence des ondes correspond au temps que le faisceau passe dans le détecteur, nous pouvons espérer l'extraire.Mais cela ne fonctionne pas comme ça. La longueur d'onde, qui dépend fortement des changements dans l'espace lorsqu'une onde gravitationnelle la traverse, n'affecte pas l'image des interférences. Seul le temps nécessaire à la lumière pour passer à travers les épaules est important!
Lorsqu'une onde gravitationnelle passe à travers l'une des épaules, elle change la longueur effective de l'épaule et change la distance que chacun des rayons doit parcourir. Une épaule s'allonge, augmentant le temps de passage, l'autre est raccourcie, la réduisant. Avec un changement relatif de l'heure d'arrivée, nous voyons le modèle d'oscillation, recréant les décalages du modèle d'interférence.
La figure montre la reconstruction de quatre signaux spécifiques et d'un potentiel (LVT151012) d'ondes gravitationnelles détectés par LIGO et Virgo le 17 octobre 2017. La détection de trou noir la plus récente, GW170814, a été effectuée sur les trois détecteurs. Faites attention à la brièveté de la fusion - de centaines de millisecondes à 2 secondes maximum.Après la réunion des rayons, une différence dans le temps de leur déplacement apparaît, et, par conséquent, un décalage détectable dans le motif d'interférence. La collaboration LIGO elle-même a
publié une analogie intéressante de ce qui se passe:
Imaginez que vous voulez comparer avec un ami combien de temps il vous faudra pour vous rendre au bout du bras de l'interféromètre et vice versa. Vous acceptez de voyager à une vitesse d'un kilomètre par heure. Comme les faisceaux laser LIGO, vous quittez strictement la station de coin en même temps et vous vous déplacez à la même vitesse. Vous devez vous revoir strictement en même temps, vous serrer la main et continuer à bouger. Mais disons que lorsque vous avez parcouru la moitié du chemin jusqu'à la fin, une onde gravitationnelle passe. L'un de vous doit maintenant parcourir une plus grande distance et l'autre moins. Cela signifie que l'un d'entre vous reviendra plus tôt que l'autre. Vous tendez la main pour serrer la main de votre amie, mais elle n’est pas là! Votre poignée de main a été interrompue! Puisque vous connaissez la vitesse de votre mouvement, vous pouvez mesurer le temps qu'il faudra à votre ami pour revenir et déterminer jusqu'où il a dû se déplacer pour être en retard.
Lorsque vous faites cela avec de la lumière, et non avec un ami, vous ne mesurerez pas le retard à l'arrivée (car la différence sera d'environ 10 à 19 mètres), mais le décalage du motif d'interférence observé.
Lorsque deux épaules sont de la même taille et que les ondes gravitationnelles ne les traversent pas, le signal sera nul et le motif d'interférence est constant. Avec un changement dans la longueur des bras, le signal se révèle être réel et oscille, et le modèle d'interférence change dans le temps d'une manière prévisible.Oui, en effet, la lumière subit un décalage rouge et bleu lorsqu'une onde gravitationnelle passe à sa place. Avec la compression de l'espace, la longueur d'onde de la lumière est également compressée, ce qui la rend bleue; avec étirement et la vague est étirée, ce qui la rend plus rouge. Cependant, ces changements sont à court terme et sans importance, du moins en comparaison avec la différence de longueur du chemin que la lumière doit traverser.
C'est la clé de tout: la lumière rouge avec une longue vague et la lumière bleue avec une courte passent le même temps à surmonter la même distance, bien qu'une vague bleue prendra plus de crêtes et de creux. La vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas de la longueur d'onde. La seule chose qui compte pour le motif d'interférence est la distance que la lumière a dû parcourir.
Plus la longueur d'onde du photon est longue, moins son énergie est importante. Mais tous les photons, indépendamment de la longueur d'onde et de l'énergie, se déplacent à la même vitesse: la vitesse de la lumière. Le nombre de longueurs d'onde nécessaires pour couvrir une certaine distance peut varier, mais le temps nécessaire pour déplacer la lumière sera le même.C'est le changement de la distance parcourue par la lumière lorsqu'une onde gravitationnelle traverse le détecteur qui détermine le décalage observé dans le motif d'interférence. Lorsque l'onde traverse le détecteur, dans un sens l'épaule est allongée et dans l'autre elle est simultanément raccourcie, ce qui entraîne un décalage relatif de la longueur des trajets et du temps de passage de la lumière à travers eux.
Comme la lumière les traverse à la vitesse de la lumière, les changements de longueurs d'onde ne sont pas pertinents; lorsqu'ils se rencontreront, ils seront au même endroit dans l'espace-temps et leurs longueurs d'onde seront identiques. Ce qui est important, c'est qu'un rayon de lumière passe plus de temps dans le détecteur, et quand ils se rencontrent à nouveau, ils ne seront plus en phase. C'est de là que vient le signal LIGO, et c'est ainsi que nous détectons les ondes gravitationnelles!
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