Depuis la détection révolutionnaire par LIGO, en 2015, d’ondes gravitationnelles produites par une paire de trous noirs en collision, l’observatoire, en collaboration avec son set up partenaire européenne Virgo, a détecté des dizaines de grondements cosmiques similaires qui envoient des ondulations dans l’espace et le temps.



À l’avenir, alors que de in addition en moreover de mises à niveau sont apportées aux observatoires LIGO financés par la Nationwide Science Foundation – l’un à Hanford, Washington, et l’autre à Livingston, Louisiane – les installations devraient détecter un nombre de additionally en additionally vital de ces phénomènes cosmiques extrêmes. événements. Ces observations aideront à résoudre des mystères fondamentaux sur notre univers, tels que la development des trous noirs et la fabrication des ingrédients de notre univers.

Étendre la portée de LIGO dans le cosmos -- ScienceDaily

Un facteur critical pour augmenter la sensibilité des observatoires concerne les revêtements sur les miroirs en verre qui se trouvent au cœur des instruments. Chaque miroir de 40 kilogrammes (88 livres) (il y en a quatre dans chaque détecteur dans les deux observatoires LIGO) est recouvert de matériaux réfléchissants qui transforment essentiellement le verre en miroirs. Les miroirs réfléchissent les faisceaux laser sensibles au passage des ondes gravitationnelles.



En règle générale, as well as les miroirs sont réfléchissants, moreover l’instrument est practical, mais il y a un hic  : les revêtements qui rendent les miroirs réfléchissants peuvent également entraîner un bruit de fond dans l’instrument – un bruit qui masque les signaux d’ondes gravitationnelles d’intérêt.

Maintenant, une nouvelle étude de l’équipe LIGO décrit un nouveau style de revêtement miroir composé d’oxyde de titane et d’oxyde de germanium et décrit comment il peut réduire le bruit de fond dans les miroirs de LIGO par un facteur de deux, augmentant ainsi le volume d’espace que LIGO peut sonder. par un facteur de huit.

« Nous voulions trouver un matériau à la pointe de ce qui est doable aujourd’hui », explique Gabriele Vajente, chercheur principal au LIGO à Caltech et auteur principal d’un posting sur le travail publié dans la revue Physical Review Letters. « Notre capacité à étudier l’échelle astronomiquement grande de l’univers est limitée par ce qui se passe dans ce très petit espace microscopique. »

« Avec ces nouveaux revêtements, nous espérons pouvoir augmenter le taux de détection des ondes gravitationnelles d’une fois par semaine à une fois par jour ou plus », a déclaré David Reitze, directeur exécutif du laboratoire LIGO à Caltech.

La recherche, qui pourrait avoir des applications futures dans les domaines des télécommunications et des semi-conducteurs, était une collaboration entre Caltech Université d’État du Colorado l’Université de Montréal et l’Université de Stanford, dont le synchrotron du SLAC National Accelerator Laboratory a été utilisé dans la caractérisation des revêtements.

LIGO détecte les ondulations dans l’espace-temps à l’aide de détecteurs appelés interféromètres. Dans cette configuration, un puissant faisceau laser est divisé en deux : chaque faisceau descend d’un bras d’une grande enceinte à vide en forme de L vers des miroirs distants de 4 kilomètres. Les miroirs renvoient les faisceaux laser vers la supply d’où ils proviennent. Lorsque les ondes gravitationnelles passent, elles s’étirent et serrent l’espace de quantités presque imperceptibles et pourtant détectables (beaucoup moins que la largeur d’un proton). Les perturbations modifient le second de l’arrivée des deux faisceaux laser à la supply.

Tout tremblement dans les miroirs eux-mêmes – même les vibrations thermiques microscopiques des atomes dans les revêtements des miroirs – peut affecter le instant de l’arrivée des faisceaux laser et rendre difficile l’isolement des signaux d’ondes gravitationnelles.

« Chaque fois que la lumière passe entre deux matériaux différents, une portion de cette lumière est réfléchie », explique Vajente.  » C’est la même selected qui se passe dans vos fenêtres  : vous pouvez voir votre faible reflet dans le verre. En ajoutant plusieurs couches de matériaux différents, nous pouvons renforcer chaque reflet et rendre nos miroirs réfléchissants jusqu’à 99,999%.  »

« Ce qui est vital dans ce travail, c’est que nous avons développé une nouvelle façon de mieux tester les matériaux », explique Vajente.  » Nous pouvons maintenant tester les propriétés d’un nouveau matériau en huit heures environ, de manière entièrement automatisée, alors qu’avant cela prenait presque une semaine. Cela nous a permis d’explorer le tableau périodique en essayant de nombreux matériaux différents et de nombreuses combinaisons. les matériaux que nous avons essayés n’ont pas fonctionné, mais cela nous a donné un aperçu des propriétés qui pourraient être importantes. »

Au remaining, les scientifiques ont découvert qu’un matériau de revêtement composé d’une combinaison d’oxyde de titane et d’oxyde de germanium dissipait le moins d’énergie (l’équivalent de la réduction des vibrations thermiques).

 » Nous avons adapté le processus de fabrication pour répondre aux exigences strictes en matière de qualité optique et de réduction du bruit thermique des revêtements des miroirs « , explique Carmen Menoni, professeur à la Colorado State University et membre de la LIGO Scientific Collaboration. Menoni et ses collègues de l’État du Colorado ont utilisé une méthode appelée pulvérisation cathodique par faisceau d’ions pour recouvrir les miroirs. Dans ce processus, des atomes de titane et de germanium sont décollés d’une source, combinés à de l’oxygène, puis déposés sur le verre pour créer de fines couches d’atomes.

Le nouveau revêtement pourrait être utilisé pour la cinquième campagne d’observation de LIGO, qui débutera au milieu de la décennie dans le cadre du programme Superior LIGO Plus. Pendant ce temps, la quatrième campagne d’observation de LIGO, la dernière de la campagne Advanced LIGO, devrait commencer à l’été 2022.

 » Cela change la donne pour Highly developed LIGO Plus « , déclare Reitze.  » Et c’est un superb exemple de la façon dont LIGO s’appuie fortement sur la recherche et le développement de pointe en matière d’optique et de science des matériaux. Il s’agit de la moreover grande avancée dans le développement de revêtements optiques de précision pour LIGO au cours des 20 dernières années. «