Dans Le Cosmos Avec Cosmina
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Les matériaux de revêtement LIGO à tester sont déposés sur de fines feuilles de verre beaucoup plus petites que les miroirs LIGO. La couleur rose sur la photo est due à la fine couche d’oxyde métallique à la surface. Crédit image : Caltech
Depuis la détection pionnière des ondes gravitationnelles de deux trous noirs en collision par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) en 2015, l’observatoire, en collaboration avec son partenaire européen Virgo, a découvert des dizaines de grondements cosmiques similaires qui envoient des ondes dans l’espace. et le temps.
À l’avenir, alors que les observatoires LIGO financés par la National Science Foundation – l’un à Hanford, Washington et l’autre à Livingston, en Louisiane – continueront de se moderniser, les installations devraient détecter de plus en plus ces événements cosmiques extrêmes. Ces observations aideront à résoudre les mystères fondamentaux de notre univers, tels que la formation des trous noirs et la fabrication des composants de notre univers.
Un facteur important dans l’augmentation de la sensibilité des observatoires sont les revêtements sur les miroirs en verre, qui sont le cœur des instruments. Chaque miroir de 40 kilogrammes (il y en a quatre dans chaque détecteur des 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 général, plus les miroirs sont réfléchissants, plus l’instrument est sensible, mais il y a un hic : les revêtements qui reflètent les miroirs peuvent également introduire 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 type de revêtement de miroir en oxyde de titane et oxyde de germanium et décrit comment il peut réduire le bruit de fond dans les miroirs LIGO par un facteur de deux et ainsi augmenter le volume de la pièce, le LIGO peut sonder par un facteur de huit.
« Nous voulions trouver du matériel à la limite de ce qui est possible aujourd’hui », explique Gabriele Vajente, chercheur scientifique principal LIGO à Caltech et auteur principal d’un article sur le travail publié dans la revue. Lettres d’examen physique . « Notre capacité à étudier l’échelle astronomique de l’univers est limitée par ce qui se passe dans ce très petit espace microscopique. »
« Avec ces nouveaux revêtements, nous pensons 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 de Caltech.
La recherche qui pourrait avoir des applications futures dans les télécommunications et les semi-conducteurs était une collaboration entre Caltech ; Université d’État du Colorado; l’Université de Montréal; et l’Université de Stanford, dont le synchrotron a été utilisé au SLAC National Accelerator Laboratory pour caractériser les revêtements.
LIGO détecte les ondes dans l’espace-temps avec des détecteurs appelés interféromètres. Dans cette configuration, un puissant faisceau laser est divisé en deux parties : chaque faisceau se déplace le long d’un bras d’un grand boîtier à vide en forme de L jusqu’à des miroirs distants de 4 kilomètres. Les miroirs renvoient les faisceaux laser vers la source d’où ils proviennent. Au fur et à mesure que les ondes gravitationnelles passent, elles étirent et compriment l’espace par des quantités presque imperceptibles mais détectables (beaucoup moins que la largeur d’un proton). Les perturbations modifient l’heure à laquelle les deux faisceaux laser reviennent à la source.
Toute oscillation dans les miroirs eux-mêmes – même les oscillations thermiques microscopiques des atomes dans les revêtements des miroirs – peut affecter le temps d’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 fraction de cette lumière est réfléchie », explique Vajente. « La même chose se produit avec vos fenêtres : vous pouvez voir vos faibles reflets dans le verre. En ajoutant plusieurs couches de matériaux différents, nous pouvons améliorer chaque reflet et nos miroirs réfléchissent jusqu’à 99,999%. »
«Ce qui est important dans ce travail, c’est que nous avons développé une nouvelle façon de mieux tester les matériaux», explique Vajente. « Nous pouvons désormais tester les propriétés d’un nouveau matériau de manière entièrement automatique en environ huit heures, alors qu’auparavant, 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 final, les scientifiques ont découvert qu’un matériau de revêtement composé d’une combinaison d’oxyde de titane et d’oxyde de germanium émet le moins d’énergie (l’équivalent de la réduction des vibrations thermiques).
« Nous avons adapté le processus de fabrication afin qu’il réponde aux exigences élevées en matière de qualité optique et de réduction du bruit thermique des revêtements miroirs », explique Carmen Menoni, professeure 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 extraits d’une source, combinés à de l’oxygène, puis déposés sur le verre pour créer de fines couches d’atomes.
Le nouveau revêtement peut être utilisé pour la cinquième campagne d’observation de LIGO, qui débutera au milieu de la décennie dans le cadre du programme Advanced LIGO Plus. 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 Advanced LIGO Plus », déclare Reitze. « Et c’est un excellent exemple de combien LIGO s’appuie sur la recherche et le développement de pointe dans les domaines de l’optique et de la science des matériaux. Il s’agit de la plus grande avancée dans le développement de revêtements de précision optique pour LIGO au cours des 20 dernières années. »
Les revêtements de miroir LIGO sont améliorés
Fourni par le California Institute of Technology
Citation : Expansion de notre portée dans le cosmos avec de nouveaux revêtements miroir (2021, 29 septembre), consulté le 29 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-cosmos-mirror-coatings.html
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Publié le
24 février 2018
par Galaxien
Caché dans la lumière, est un documentaire (0h42) de la série Cosmos, une odyssée à travers l'Univers, qui nous explique la nature de la lumière, sont utilisation en rapport aux distances astronomiques ainsi que des informations sur la formation des premières étoiles et galaxies, et les travaux scientifiques ou encore l’âge d’or de la recherche dans ce domaine.
Les étoiles et les planètes émettent ou renvoient une lumière qui est étudiée pour connaître leur nature, leur composition chimique, ainsi que pour mesurer les distances qui les séparent et les vitesses relatives d’éloignement entre-elles. Messagère infatigable, la lumière nous révèle l'origine et la nature de l'Univers. Elle nous renseigne sur la formation des premières étoiles et galaxies, sur la structuration de l’Univers en superamas et filaments galactiques, et sur les composants cosmiques invisibles, matière noire et énergie sombre. Un certain nombre de clés de l'Univers résident dans la lumière, mais avant d'en prendre conscience, l'être humain a d'abord dû déchiffrer les lois élémentaires de la science.
D’après une étude scientifique, la lumière aurait eu besoin d’au moins deux étapes pour éclairer notre Cosmos. C’est grâce à l’étude de l’hydrogène, l'élément le plus abondant dans l'Univers, environ 75% de sa masse, et de son émission de lumière à une longueur d’onde donnée, que les astronomes peuvent mieux comprendre sa formation. Abraham Loeb de l’Université d’Harvard à Cambridge aux États-Unis, et son équipe, ont utilisé les différentes couleurs d’émission de longueurs d’ondes des quasars et de l’hydrogène environnant afin d’étudier l’apparition de la lumière dans l’Univers. Ils estiment que des étoiles massives qui n’ont vécu que quelques millions d’années après le Big Bang ont précédé les quasars.
Selon Abraham Loeb, lors de la mort lente de ces dernières, l’hydrogène intergalactique, en se refroidissant, serait devenu opaque et ne serait redevenu transparent qu’avec l’apparition des quasars. Selon George Djorgovski, qui commente les travaux de Loeb dans le même numéro de Nature, cette étude ne fait que confirmer la complexité avec laquelle notre Univers s’est formé, et l’apparition de la lumière n’en est qu’une infime partie. (Olivier Frégaville-Arcas)
La lumière est essentielle pour comprendre la structure et l'évolution de l'Univers dans lequel nous vivons. La cosmologie élabore des modèles d'Univers, partant d'un état initial supposé, et évoluant, selon les lois de la physique, jusqu'à son état actuel. C'est l'observation de la lumière provenant des étoiles et des galaxies, plus généralement du rayonnement électromagnétique émis dans tous les domaines de fréquence, qui permet de valider ou non ces modèles, selon que les observations en confirment ou en infirment les prédictions théoriques.
Pour l'instant, nous ne disposons que de la lumière comme source d'information. Il est possible que d'autres signaux puissent être détectés dans un avenir proche, comme les ondes gravitationnelles, c'est-à-dire des déformations de la structure de l'espace-temps provoquées par des événements comme l
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