Vulgarisation

Je copie-colle un article que j'ai écrit sur mon sujet de stage    (il est destiné à des gens qui n'ont pas de background scientifique).


À Rome je vais faire un stage dans un laboratoire qui s’occupe du projet VIRGO. Mais kescekecé ? C’est un interféromètre de Michelson géant conçu pour détecter des ondes gravitationnelles. Donc : qu’est-ce que c’est que les ondes gravitationnelles, pourquoi on cherche à les détecter, pourquoi c’est si difficile, qu’est-ce qu’un interféromètre de Michelson et il est géant comment ?

Les ondes gravitationnelles sont des pertubations de l’espace qui se propagent à la vitesse de la lumière (300 000 kilomètres par seconde) prédites par la théorie de la relativité générale. Lors du passage d’une onde gravitationnelle, l’espace va successivement subir une contraction dans une direction et une expansion selon deux directions perpendiculaires, comme ça :


Pourquoi c’est intéressant de les détecter? Pour plusieurs raisons :

  1.  C’est prédit par la relativité générale depuis un siècle, donc ça ferait quand même plaisir de les mesurer un peu pour de vrai.
  2.  Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles ne sont pas absorbées par la matière. On aurait donc accès à des régions de l’univers actuellement inaccessibles car assombries par des gros nuages de poussière.
   3. Les ondes gravitationnelles sont créées par des phénomènes monstrueux : explosions de supernovae, collisions de trous noirs, etc. On peut espérer qu’elles nous renseignent sur ces phénomènes. Typiquement, les ondes gravitationnelles primordiales (créées par le Big-Bang) nous renseigneraient sur l’origine de l’univers.
   4. Quand on étudie un peu le mouvement des galaxies, on remarque une différence énorme entre la masse qu’on voit et la masse qu’il faudrait pour donner lieu aux mouvements qu’on observe. En fait, environ 90% de la masse de l’univers est de la matière noire (c’est le nom qu’on a donné à cette différence), c’est-à-dire de la matière qui a une masse mais qu’on ne peut absolument pas voir ou faire réagir d’une quelconque façon. (La matière noire n’est donc pas noire mais transparente, ce qui est obscur dans l’affaire, c’est notre compréhension de la chose). Les ondes gravitationnelles étant engendrées par des mouvements de grandes masses, on peut espérer qu’elles nous éclaireraient sur le problème de la "masse manquante" de l’univers.
   5. De manière générale, observer l’univers, c’est un peu comme regarder la télé. Pouvoir détecter des ondes gravitationnelles, ça nous donnerait accès à un pan entier d’infos qu’on n’avait pas avant, c’est comme si on allumait tout à coup le son.


Et pourquoi c’est si difficile à détecter ? Parce que ces pertubations de l’espace sont extrêmement faibles. Aucune expérience terrestre ne pourra jamais créer des ondes gravitationnelles assez intenses pour qu’on puisse les étudier, et même les ondes créées par les phénomènes les plus puissants sont infimes. On mesure une onde gravitationnelle à la variation de longueur relative qu’elle engendre, et si on la mesure sur une distance terre-lune, cette variation n’est que de l’ordre de grandeur d’un atome.

Les interféromètres de Michelson sont des instruments extrêmement sensibles et qui permettent de mesurer de telles variations. Un interféromètre, c’est un appareil qui, grâce à un jeu de miroirs, fait parcourir à deux rayons lumineux des trajets différents avant de les recombiner sur un écran qu’on observe.

Or, la lumière, c’est une onde. Donc si les rayons ont parcouru exactement la même distance trajet, les maxima vont arriver sur les maxima, les minima sur les minima, et on a une onde deux fois plus intense. Au contraire, si les rayons ont parcouru une distance différente d’une demi-longueur d’onde, ils s’annihilent (et on obtient l’équation paradoxale : "lumière + lumière = obscurité" !).



Donc là, l’idée, c’est de faire parcourir aux deux rayons des trajets tels qu’on ne voit aucune lumière sur l’écran, sauf si une onde gravitationnelle passe par là et modifie la longueur relative des deux bras de l’interféromètre (on appelle "bras" les sortes de tunnel dans lequels les deux rayons se déplacent).

Pour avoir une chance de détecter les ondes gravitationnelles, il faut que les rayons parcourent un trajet de l’ordre de la centaine de kilomètres. Comme ce n’est pas envisageable sur terre, on installe un jeu de miroirs supplémentaires dans les bras de VIRGO, comme ça, les bras de VIRGO ne font "que" trois kilomètres, mais la lumière parcourt une centaine de kilomètres.

La moindre secousse sismique étant des milliards de fois plus intense qu’une onde gravitationnelle, il faut absolument en isoler VIRGO. L’isolation sismique est obtenue grâce à une chaîne de filtres suspendus les uns aux autres, fixée à une plate-forme stabilisée. La zone centrale est sous ultra-vide (la pression doit atteindre un dix millième de milliardième de la pression atmosphérique) ce qui constitue la plus grande chambre à ultra-vide d’Europe (6800 m³). En définitive, les éléments optiques de VIRGO sont dans un environnement beaucoup plus calme que celui d’un vaisseau spatial en orbite autour de la terre.



Voilà, j’espère que c’était clair ! Et moi je vais faire un stage sur ce projet, et c’est vachement cool (en tout cas au sens des physicien.ne.s).




(depuis j'ai écrit un deuxième article un chouilla plus technique sur mon stage, je ne sais pas si ça intéresse qqun ^^).