Un minuscule détecteur à ondes gravitationnelles pourrait rechercher n’importe où dans le ciel

La mesure la plus petite et la plus précise jamais réalisée a nécessité l’un des plus grands instruments scientifiques jamais construits. Il y a cinq ans, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a détecté une ondulation dans l’espace-temps qui n’était que d’un dix millième de la largeur d’un proton – un tour de force technique équivalant à déterminer la distance de l’étoile la plus proche à trois millièmes d’un centimètre. L’ondulation lilliputienne était une onde gravitationnelle, une distorsion dans le tissu du cosmos générée par la collision de deux trous noirs à plus d’un milliard d’années-lumière de la Terre.

Selon la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein, l’accélération de tout objet massif crée des vagues dans l’espace-temps, tout comme un navire produit des vagues dans l’eau. Einstein lui-même, cependant, pensait que les ondes gravitationnelles seraient trop faibles pour être détectées. Il n’était pas indûment pessimiste. Il a fallu aux interféromètres de quatre kilomètres de long de LIGO – qui ont été achevés en 1999 et ont commencé à rechercher les vagues en 2001 – 13 ans pour enfin en repérer un. Cette découverte a marqué le début d’un nouveau domaine de l’astronomie et a décroché un prix Nobel pour trois physiciens de l’observatoire. L’expérience a depuis détecté près d’une douzaine d’événements d’ondes gravitationnelles supplémentaires. Maintenant, juste au moment où LIGO bat son plein, une équipe de physiciens a décrit un moyen de construire un détecteur gravitationnel portable qui ne mesure qu’un mètre de long – 4 000 fois plus petit que LIGO.

La proposition, qui sera publiée prochainement dans New Journal of Physics, décrit un détecteur qui exploiterait un étrange phénomène de mécanique quantique pour révéler le passage d’une onde gravitationnelle. « La première et la plus importante chose à savoir du côté expérimental est qu’il serait extrêmement difficile de le construire », explique Gavin Morley, physicien à l’Université de Warwick en Angleterre et l’un des co-auteurs de l’étude. Si l’équipe réussit, cependant, le nouveau dispositif offrirait un moyen beaucoup plus compact de détecter les ondes gravitationnelles qui pourraient être reproduites dans de nombreux laboratoires à travers le monde.

Vagues annulant

Les physiciens appellent leur appareil proposé l’interférence mésoscopique pour la métrique et la courbure (MIMAC). Malgré leurs énormes disparités de taille, MIMAC et LIGO recherchent le même effet: l’étirement et la contraction rythmiques de l’espace-temps causés par une onde gravitationnelle se déplaçant à la vitesse de la lumière.

Dans le cas de LIGO, deux instruments identiques – l’un à Livingston, en Louisiane, et l’autre à Hanford, Washington – ont été construits pour exclure les faux signaux des effets gravitationnels locaux. Chaque site dispose de deux chambres à vide de quatre kilomètres de long qui se rencontrent à un angle de 90 degrés, formant un grand L sur le paysage. Des miroirs de quarante kilogrammes en silice très pure se trouvent aux deux extrémités de chaque chambre à vide. Un faisceau laser oscille constamment entre les miroirs, surveillé par un détecteur de lumière au coin du L.

LIGO a été conçu pour que dans des conditions normales, les ondes lumineuses de chaque bras s’annulent lorsqu’elles se rencontrent au niveau du détecteur: aucun signal ne l’atteint car les crêtes et les auges de la lumière de chaque bras se chevauchent. Mais si une onde gravitationnelle traverse les bras, elle étire périodiquement l’un d’eux et comprime l’autre, en changeant leur longueur d’une fraction du diamètre d’un proton. Ensuite, les ondes lumineuses ne s’annulent plus: elles envoient des impulsions lumineuses au détecteur en synchronisation avec l’onde gravitationnelle qui passe, créant un motif de scintillement distinctif.

Alors, comment un appareil d’un mètre pourrait-il accomplir le même exploit? Un élément clé de MIMAC serait une particule de diamant ne dépassant pas un millionième de mètre. Les chercheurs veulent mettre un tel diamant dans une superposition quantique – un état dans lequel le diamant occuperait simultanément deux positions différentes – et attendre qu’il interagisse avec une onde gravitationnelle.

Un diamant imparfait

En plus de Morley, l’équipe comprend Sougato Bose, Peter Barker et Ryan Marshman, tous à l’University College de Londres, ainsi que Anupam Mazumdar et Steven Hoekstra, tous deux à l’Université de Groningen aux Pays-Bas. Pour créer la superposition, ils diffusaient des micro-ondes sur un seul électron lié à une faille fabriquée dans le réseau cristallin d’atomes de carbone du diamant. (La faille consiste en un seul atome d’azote inséré dans le réseau de carbone autrement uniforme.) Ensuite, les règles extraordinaires de la théorie quantique entreraient en jeu: l’électron absorberait et non absorberait à la fois un photon micro-ondes, créant une superposition quantique du diamant. L’électron dans le doppelgänger de diamant qui a absorbé le photon passerait à un état dit de «spin un», ce qui signifie qu’il se comporte comme un aimant miniature avec son propre champ magnétique. L’électron dans l’autre version du diamant resterait dans un état de «spin zéro» – magnétiquement neutre. En appliquant un champ magnétique externe, Bose et ses collègues disent qu’il devrait être possible de retirer la partie spin-one de la superposition de son homologue neutre, en les séparant jusqu’à un mètre. Enfin, les physiciens inversaient le champ magnétique, rapprochant les deux positions du diamant et le frappaient avec une dernière impulsion micro-ondes.

Cette dernière impulsion déclencherait un autre effet quantique étrange. Dans le domaine quantique, les particules ne sont pas vraiment des particules en soi. Ce sont en fait des vagues, et leur forme et leur taille correspondent à la probabilité de trouver une «particule» à une position donnée. La rafale finale de micro-ondes serait réglée pour changer la forme de la superposition de sorte que les crêtes et les creux de l’état spin-one se chevauchent et s’annulent, tandis que les crêtes de l’état spin-zéro se chevauchent et se renforcent mutuellement. Ainsi, en l’absence de toute interférence extérieure, une mesure de l’électron le trouverait toujours dans un état de spin zéro.

Mais toute onde gravitationnelle déferlant sur le détecteur étirerait la superposition, changeant sa forme de sorte que ses composants ne seraient plus alignés une fois rejoints. Les mesures de la superposition déformée produiraient alors des résultats mitigés, l’état spin-one apparaissant dans les données en synchronisation avec la fréquence de l’onde gravitationnelle.

Ce scénario est au moins la théorie. La construction d’un modèle de travail peut prendre des décennies. Ron Folman, un physicien expérimental de l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël qui n’était pas impliqué dans la proposition, a qualifié cette idée d ‘«audacieuse». Isoler le système afin que les particules quantiques n’interagissent pas avec l’environnement sera extrêmement difficile, dit-il. «C’est une expérience très difficile», ajoute-t-il, mais «elle peut être réalisée au cours de notre vie, avec suffisamment d’efforts dédiés.»

L’un des plus grands défis sera de créer des superpositions de diamants pouvant rester stables sur des distances d’un mètre. Il y a plus de quatre ans, des chercheurs de l’Université de Stanford ont réussi à séparer une superposition composée de 10 000 atomes d’environ un demi-mètre – le record actuel. « Mais nous parlons de le faire avec des diamants qui auraient un milliard ou 10 milliards d’atomes, et c’est beaucoup plus difficile », explique Mazumdar.

Bon nombre des autres technologies nécessaires à l’appareil – aspirateurs élevés, températures ultra-basses, champs magnétiques contrôlés avec précision – ont toutes été obtenues séparément par divers groupes. Mais les réunir ne sera pas facile. « Ce n’est pas parce que vous pouvez jongler et faire du vélo que vous pouvez faire les deux à la fois », explique Morley.

Si l’appareil est jamais construit, il pourrait transformer l’astronomie des ondes gravitationnelles. Les détecteurs d’ondes gravitationnelles du monde sont tous fermement ancrés au sol. « La seule orientation que LIGO peut avoir est due à la rotation de la Terre », explique Bose. Un petit détecteur tel que MIMAC, d’autre part, pourrait être pointé dans n’importe quelle direction du ciel. Et n’importe quel laboratoire de physique dans le monde pourrait le loger. «Le défi consiste à faire fonctionner l’un d’entre eux», explique Bose. « Si l’un d’eux fonctionne, il serait très facile d’en faire plusieurs de plus. »

Les pilotes de F1 pourraient « mettre un genou » au GP d’Autriche, selon Norris · .

Les patrons de Wimbledon disent que l’événement de 2021 n’aura pas d’assurance contre la pandémie