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Médaille d'or du CNRS : les technologies qui ont permis la détection des ondes gravitationnelles expliquées par leurs concepteurs

Médaille d'or du CNRS : les technologies qui ont permis la détection des ondes gravitationnelles expliquées par leurs concepteurs

Le détecteur Virgo, situé près de Pise en Italie, est composé de deux bras de 3 kilomètres de long.

© Cyril FRESILLON/Virgo/CNRS Photothèque

La médaille d’or du CNRS a été remise le 27 septembre à Alain Brillet et Thibault Damour. Les travaux des deux physiciens ont permis de développer les outils de pointe capables de détecter les ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles ont encore frappé. Alors que l’outil européen Virgo en a détecté pour la première fois sur le vieux continent en août dernier, ses architectes ont été récompensés par une double médaille d’or du CNRS le 27 septembre. Les physiciens français Alain Brillet et Thibault Damour l’ont reçue pour leur contribution aux travaux qui ont permis de développer des technologies poussées à leurs limites.

Si Einstein avait prédit l’existence des ondes gravitationnelles en 1916, « il n’a jamais imaginé qu’émergeraient un jour des technologies capables de les détecter », relève Alain Brillet. Et pour cause : il est mort dix ans avant l’invention du laser en 1965. Au-delà de son fonctionnement 24h sur 24 et de sa puissance de quelques dizaines de watts, celui utilisé par Virgo est ultra-stable. « Sa longueur d’onde ne bouge pas », précise Catherine-Nary Man, directrice de recherche émérite au CNRS qui a travaillé dans l’équipe d’Alain Brillet depuis le début.

Propagation dans l'ultra-vide

Les chercheurs ont créé un moyen d'amplifier la lumière du laser en verrouillant sa longueur d’onde. « Il faut une référence stable, indique Catherine-Nary Man. On impose au laser de copier exactement la fréquence d'émission de cette référence. » En l’occurrence ici : une céramique composée de silice qui se dilate très peu. « Avec ce matériau, on fabrique une cavité dans laquelle le laser entre en résonnance et s’amplifie », poursuit la chercheuse.

Une fois émise, l’onde électromagnétique du laser se propage dans les deux bras perpendiculaires du détecteur Virgo. Dans ces tubes en acier inoxydable de 3 kilomètres de long, un vide ultra poussé : de l’ultra-vide. La présence d’air et sa fluctuation perturberait la propagation de l’onde lumineuse. « Le problème n’a pas été de réaliser l’ultra-vide, indique Alain Brillet. Nous l’avons fait dans beaucoup d'enceintes à vide, comme dans les accélérateurs de particules. La difficulté a été de le faire à un prix raisonnable. » Le volume de vide souhaité est le plus grand au monde.

Chasser l'eau

Pour cela, l’équipe a eu recours à un matériau particulier pour fabriquer l’enceinte. « L'acier inoxydable ou l'aluminium contiennent des molécules d’eau piégées lors de leur fabrication à chaud, précise Alain Brillet. Ces molécules rejettent de l'hydrogène lorsque les matériaux sont utilisés pour faire le vide. » Le gaz émis perturbe le signal. Une technique a été développée pour chasser ces molécules d'eau résiduelles incluses dans l'acier. « Cela nous a permis de diminuer la puissance des pompes à vide par un facteur 100 à 1000 et d'avoir un coût du matériel de pompage qui soit très raisonnable », affirme le chercheur.

Mais les difficultés ne s’arrêtent pas là. Après avoir parcouru les 3 kilomètres de tunnel d’ultra-vide avec une longueur d’onde ultra-stable, la lumière est réfléchie par un miroir ultra-plat et ultra-réfléchissant. Une société américaine les a polis pour obtenir des aspérités de la taille d’un atome. De plus, la silice du miroir absorbe une partie de la lumière du laser. Comme pour l’acier inoxydable, le vide entraîne la décomposition de l’humidité contenue dans la silice. Des molécules se dégagent et absorbent la lumière aux longueurs d'onde utilisées. « Notre fabricant allemand de silice n'avait pas les moyens de mesurer cette absorption extrêmement faible, précise Alain Brillet. Nous avons développé un instrument pour la mesurer, que nous avons transmis à cette société. Elle a alors pu produire le matériau dont nous avions besoin. »

Travail d'équipes

Enfin, pour rendre le miroir réfléchissant, des couches d’oxyde de silice et d’oxyde de tantale ont été déposées alternativement par évaporation. Le tout devant rester ultra-plat. « Ce savoir-faire existait au début de Virgo, dans les années 1990 à 1995, relève Alain Brillet. Mais on ne pouvait le faire que sur des surfaces extrêmement faibles, de l'ordre du millimètre carré. Alors que nous avions besoin de le faire sur des miroirs de 35 centimètres de diamètre. »

Les travaux de M. Brillet n’auraient pu se passer de ceux de Thibault Damour, récompensé lui-aussi par la médaille d’or du CNRS. Spécialiste des trous noirs et du rayonnement gravitationnel, ses théories ont permis l’analyse de données de ces expériences. Les équipes italiennes basées à Pise ont développé de leur côté les moyens d’isoler le détecteur du bruit et des perturbations sismiques externes. Car si les ondes gravitationnelles résultent de la fusion de trous noirs qui libère une énergie phénoménale, le bruit d’une simple brise complique leur détection.

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