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Einstein Telescope could launch a new era in astronomy

ALe télescope Einstein pourrait ouvrir une nouvelle ère en astronomie

par Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Le télescope Einstein est en construction à environ 250 mètres sous terre. Avec des interféromètres dans les trois tunnels, longs chacun de dix kilomètres, il mesurera les collisions de trous noirs dans l'univers primitif. Crédit : NIKHEF

Ce n'est encore qu'un projet, mais un nouveau télescope pourrait bientôt mesurer les ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles ressemblent aux ondes sonores de l’univers. Ils sont créés, par exemple, lorsque des trous noirs ou des étoiles à neutrons entrent en collision.

Le futur détecteur d'ondes gravitationnelles, le télescope Einstein, utilisera la dernière technologie laser pour mieux comprendre ces ondes et donc notre univers. Un emplacement possible pour la construction de ce télescope est le triangle frontalier entre l’Allemagne, la Belgique et les Pays-Bas.

Comment l'univers fabrique de l'or

L'été 2017 a été une journée extrêmement excitante pour les astronomes : le 17 août, trois détecteurs d'ondes gravitationnelles ont enregistré un nouveau signal. Des centaines de télescopes à travers le monde ont été immédiatement pointés vers le point d’origine suspecté et un corps céleste lumineux y a effectivement été aperçu. Pour la première fois, la collision de deux étoiles à neutrons a été détectée à la fois optiquement et sous forme d'onde gravitationnelle.

Les étoiles à neutrons sont quelque chose de très spécial dans l’univers : ce sont des étoiles calcinées qui n’émettent plus aucun rayonnement visible. Ils pèsent légèrement plus que notre soleil, mais compressent leur masse dans une sphère de moins de 20 km de diamètre. La force de leur collision est si grande que les noyaux atomiques sont déchirés, des quantités gigantesques de masse sont éjectées et des atomes lourds comme l'or peuvent se former.

"Par rapport à la masse des étoiles à neutrons, ce n'est pas beaucoup d'or qui est créé, juste quelques masses lunaires", explique en souriant le professeur Achim Stahl, astrophysicien de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle.

"Mais les chercheurs sont presque sûrs que la majeure partie de l'or de l'univers a été créée lors de telles explosions gigantesques." La bague en or que nous portons au doigt a donc déjà connu l’histoire galactique.

Les détecteurs d'ondes gravitationnelles ouvrent un nouveau chapitre de l'astronomie

Grâce aux détecteurs d’ondes gravitationnelles, nous en savons déjà davantage sur les collisions d’étoiles à neutrons. Selon les normes galactiques, ce sont des processus très rapides. Dans le passé, si nous étions très chanceux, nous pouvions enregistrer des sursauts gamma qui duraient moins d'une seconde. Lorsque des trous noirs entrent en collision, le signal mesurable avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels est très court.

Le signal de la première onde gravitationnelle mesurée en 2015 durait un peu plus de 0,2 seconde. De telles ondes sont créées lorsque des objets ultra-lourds tournent autour d’eux dans l’univers puis entrent en collision.

Le signal détecté à l’été 2017 durait 100 secondes, il était donc immédiatement clair qu’il devait s’agir de quelque chose de nouveau. Peu de temps après l’arrêt du signal gravitationnel, le sursaut gamma a été enregistré ; plus tard, la rémanence de l'explosion a été observée dans diverses gammes de longueurs d'onde et des traces d'éléments lourds tels que l'or et le platine ont été détectées.

L'événement a été identifié comme une collision de deux étoiles à neutrons. L'observation simultanée des ondes gravitationnelles et des signaux électromagnétiques a ouvert un nouveau chapitre dans l'astronomie observationnelle. "En fait, le signal optique a été décisif pour trouver l'étoile dans le ciel", explique l'astrophysicien Stahl.

Pendant des siècles, l’astronomie s’est limitée à l’observation du rayonnement visible. Grâce à une meilleure compréhension du spectre électromagnétique, les astronomes ont ajouté de nombreuses nouvelles méthodes d'observation, détecté des ondes radio et élargi considérablement les connaissances de l'humanité grâce à des calculs et des simulations.

Lorsqu’Albert Einstein a postulé sa théorie de la relativité générale il y a une bonne centaine d’années, il a également émis l’idée qu’il pourrait y avoir des ondes qui n’ont rien à voir avec le spectre électromagnétique. Semblables à une onde sonore, ils étaient censés faire "vaciller" un peu un spécimen d'essai situé à une grande distance.

De grandes masses accélérées devraient envoyer de telles ondes à travers l’espace. Sur Terre, cependant, l’oscillation provoquée par les ondes gravitationnelles est si faible que le mouvement est bien plus petit que le diamètre d’un atome. Néanmoins, il est désormais possible de mesurer les ondes gravitationnelles. C'est une nouvelle ère pour les astronomes.

Ceci est rendu possible par ce que l'on appelle les interféromètres laser. Ils sont constitués de deux bras munis de miroirs aux extrémités. Un faisceau laser pénètre dans l'interféromètre et est divisé au niveau d'un séparateur de faisceau au milieu.

Il se déplace vers les miroirs d'extrémité dans les deux bras et revient vers le séparateur de faisceau. Si la position du miroir à l'extrémité d'un bras change, le temps de transit du faisceau laser correspondant varie légèrement. Cette quantité peut être mesurée en comparant le faisceau laser du miroir affecté avec un faisceau laser provenant de l'autre bras de l'interféromètre où le miroir n'a pas été déplacé.

La précision de cette mesure dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels est toujours étonnante, même pour les physiciens : "Nous mesurons avec une précision inférieure à un deux millième de diamètre de proton", explique le professeur Stahl.

"Il est ironique que nous ayons besoin d'une précision à l'échelle des plus petites particules connues pour détecter le plus grand événement de l'univers, la fusion des trous noirs", ajoute-t-il.

Les premières tentatives de mesure des ondes gravitationnelles remontent aux années 1960. Cependant, seule la deuxième génération actuelle d'appareils de mesure laser peut atteindre cette extrême précision et a déjà détecté une centaine de collisions de trous noirs ou d'étoiles à neutrons.

Le télescope Einstein

Le professeur Stahl est membre de la communauté du télescope allemand Einstein et travaille actuellement sur la prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles. Les appareils de mesure de cette troisième génération devraient être dix fois plus sensibles que ceux actuellement utilisés. Le projet d'observatoire des ondes gravitationnelles a été baptisé « Télescope Einstein » en hommage au fondateur de la théorie générale de la relativité.

"Nous voulons l'utiliser pour examiner une zone mille fois plus grande que ce qui est possible aujourd'hui dans l'univers pour les ondes gravitationnelles. Et nous devrions alors trouver beaucoup plus de sources pour lesquelles les instruments actuels ne sont pas assez sensibles", explique l'astrophysicien. . Cela s'applique également aux objets plus lourds qui émettent des ondes gravitationnelles à des fréquences plus basses.

Le télescope Einstein sera composé de trois détecteurs imbriqués. Chacun de ces détecteurs disposera de deux interféromètres laser dotés de bras de 10 km de long. Afin de protéger autant que possible des interférences, l'observatoire sera construit à 250 m sous terre.

Mais les scientifiques pensent déjà beaucoup plus loin. "Le télescope Einstein fonctionnera en collaboration avec une nouvelle génération innovante d'observatoires dans le spectre électromagnétique allant des rayons radio jusqu'aux rayons gamma. Nous appelons cela l'astronomie multi-messagers", explique le professeur Stahl en décrivant la vision.

"En plus des "oreilles" pour les ondes gravitationnelles, nous aurons également des "yeux" qui détecteront des signaux très différents. Ensemble, ceux-ci fourniront une transmission en direct d'événements cosmiques que personne n'a jamais vu auparavant."

Jusqu’à présent, on pouvait observer le ciel au hasard et espérer un bref éclair. À l'avenir, les détecteurs d'ondes gravitationnelles fonctionneront en continu et « écouteront » lorsqu'un signal apparaît. Si plusieurs de ces détecteurs capturent le signal, sa région d'origine peut être calculée et d'autres télescopes optiques alignés avec elle. Comme lors de la collision d’étoiles à neutrons de l’été 2017, plusieurs mesures systématiques seront alors possibles.

Les scientifiques espèrent en tirer de nombreuses nouvelles connaissances, par exemple sur l'univers primitif ou sur les collisions au cours desquelles tous les éléments plus lourds que le fer se sont formés.

Détecteurs en Europe et dans le monde

Des mesures aussi complexes nécessitent une coopération mondiale. En conséquence, une conception d’un détecteur de troisième génération est également en cours de développement aux États-Unis.

Le « Cosmic Explorer » formera un réseau mondial de détecteurs avec le télescope Einstein. En 2021, les Européens ont inscrit le télescope Einstein dans la feuille de route du Forum stratégique européen sur les infrastructures de recherche (ESFRI). L'ESFRI a été fondée en 2002 pour permettre aux gouvernements nationaux, à la communauté scientifique et à la Commission européenne de développer et de soutenir conjointement un concept d'infrastructures de recherche en Europe.

Une grande équipe travaille déjà sur les équipements de mesure proprement dits sur différents sites. Outre l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, cela comprend également l'Institut Fraunhofer de technologie laser ILT d'Aix-la-Chapelle. De nouveaux lasers y sont actuellement développés, sans lesquels les nouvelles mesures ne seraient pas possibles.

"Ce que nous développons ici en vue d'une utilisation potentielle dans le télescope Einstein est unique dans sa conception et est destiné exclusivement à mesurer les ondes gravitationnelles", confirme le chef de projet Patrick Baer du Fraunhofer ILT, qui en tant que responsable de l'unité de recherche dans la communauté du télescope Einstein représente les groupes de recherche. des instituts Fraunhofer de technologie laser ILT et de technologie de production IPT ainsi que des chaires de technologie laser LLT et de technologie des systèmes optiques de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle.

"Dans une version simplifiée, la technologie laser développée pour ce domaine d'application peut également être intéressante pour d'autres applications, par exemple dans la technologie quantique. Mais les connaissances acquises peuvent également être utiles pour le développement de lasers dans la technologie médicale : La longueur d'onde de 2 µm convient par exemple pour briser les calculs rénaux et vésicaux.

En fin de compte, c'est ce que fait Fraunhofer ILT depuis sa création : fabriquer des lasers haut de gamme issus de la recherche adaptés aux applications industrielles.

Le financement n’a pas encore été entièrement assuré. Le professeur Stahl attend une décision finale dans les deux prochaines années. Les planificateurs commenceront d'abord leur travail, puis les constructeurs de tunnels et enfin les physiciens du laser. "J'estime que nous pourrons faire les premières mesures en 2035."

Qu’est-ce qui fascine un chercheur comme Achim Stahl ? "Avec les ondes gravitationnelles, nous pouvons regarder beaucoup plus loin dans l'univers qu'avec les télescopes normaux", explique l'astrophysicien.

"En astrophysique, regarder plus loin dans l'univers signifie avant tout regarder en arrière dans le temps. Avec le télescope Einstein, nous recevrons des signaux de l'époque où les galaxies et les premières étoiles se sont formées. Cela remonte plus loin que ce qui est possible avec l'optique. signifie. Et nous entendrons des explosions cosmiques vivre avec les ondes gravitationnelles avant de les voir.

Les détecteurs les plus sensibles du télescope Einstein « entendront » les signaux plus tôt et donneront aux autres télescopes plus de temps pour s'aligner. Dans le passé, c’était plutôt une heureuse coïncidence que d’assister à un tel événement. Désormais, pour la première fois, des mesures systématiques sont possibles. Les temps sont passionnants

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COMMENTAIRES

Le télescope Einstein  devrait pluot etre  dédié  à tout ce que ne peut pas faire  un telescope spatial  pour cause de poids excéssif a mettre sur orbite  ....

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