Percevoir les signaux dans l'espace

Communiqué de presse Un défi relevé par une équipe CNRS de l'Université Paris VI et de l'Ecole Normale Supérieure Refroidir les miroirs pour mieux percevoir les signaux de l’espace
Paris, le 19 octobre 1999

Les mesures optiques de grande précision sont aujourd'hui limitées par l'agitation thermique des miroirs. Peut-on améliorer la sensibilité de ces mesures ? Des physiciens du CNRS proposent de réduire le bruit thermique des miroirs, non par le froid, mais par la lumière elle-même. L’expérience consiste à détecter les infimes déplacements du miroir puis à geler ces mouvements en exerçant une force de correction induite par un faisceau lumineux annexe. Appliquée aux appareils de détection d’ondes gravitationnelles, cette technique permettrait de témoigner davantage de l’existence d’événements cosmologiques comme l'explosion d’une supernova ou la coalescence d’étoiles binaires. L'étude est publiée dans la revue américaine spécialisée Physical Review Letters (18 octobre 1999). En général, la lumière est utilisée pour mesurer avec une très grande précision des longueurs, en déterminant la distance entre deux miroirs sur lesquels se réfléchit un faisceau lumineux. Certaines de ces mesures sont si sensibles qu'elles sont aujourd’hui limitées par l'agitation thermique qui induit un certain flou sur la position des miroirs. Il en est ainsi dans les projets de détection interférométrique des ondes gravitationnelles comme le projet franco-italien Virgo ou le projet américain Ligo. L'agitation thermique est un processus universel correspondant à une excitation désordonnée des atomes. Pour un miroir, cela correspond à des déformations microscopiques de sa surface : environ un milliard de fois plus petites que la taille d'un atome ! Pourtant ce bruit est un obstacle important aux mesures optiques de très grande sensibilité. L'observation et le contrôle du bruit thermique constituent donc un défi important pour les chercheurs. Le point central est de trouver un arrangement tel qu’un seul des très nombreux modes de vibration du miroir influe sur la mesure optique. Et de contrôler ce mode de vibration. Pierre-François Cohadon, Antoine Heidmann et Michel Pinard, physiciens du CNRS, établis à l’Ecole Normale Supérieure et à l’Université Paris VI, ont mis au point une nouvelle méthode optique ultra-sensible capable de détecter de si petits déplacements, dans ce mode précis de vibration. Cette méthode utilise une cavité optique de grande finesse dont l'un des miroirs est mobile. La lumière réfléchie par la cavité est très sensible aux déplacements du miroir. Une analyse très fine de la lumière réfléchie permet d'extraire du faisceau lumineux l'information concernant le mouvement du miroir. Les chercheurs ont ainsi observé le bruit thermique du miroir avec une sensibilité inégalée correspondant au milliardième d'Angström. Cette information est alors utilisée pour réagir sur le miroir à l'aide d'un second faisceau lumineux. Lorsqu'un faisceau se réfléchit sur un miroir, il exerce une force de pression de radiation qui peut être contrôlée en modifiant l'intensité de la lumière. En appliquant une force adéquate, l'expérience a permis de réduire son agitation thermique d’un facteur supérieur à 20 et de geler ainsi le mouvement du miroir. La technique permet d'atteindre des températures très basses pour le mode de vibration considéré. Comparé aux méthodes cryogéniques traditionnelles qui placent le miroir dans un " réfrigérateur ", le bruit thermique résiduel est ici équivalent à celui obtenu à une température de 10 Kelvin seulement, soit –260°C environ. Cette technique optique pourrait permettre d'augmenter d’un facteur 10 la sensibilité des mesures optiques de grande précision. Elle permettrait ainsi d'observer des ondes gravitationnelles de faible amplitude et d'augmenter de façon considérable le volume de l'univers que l'appareil serait capable d'explorer. Les physiciens auraient alors 1 000 fois plus de chance d’observer un événement cosmologique. Références :* " Cooling of a mirror by radiation pressure ", P.F. Cohadon, A. Heidmann et M. Pinard, CNRS, Laboratoire Kastler Brossel, Physical Review Letters, Vol 83, p 3174, 18 octobre 1999. Contacts chercheurs : Antoine Heidmann / Michel Pinard CNRS - Département des Sciences physiques et mathématiques Laboratoire Kastler Brossel Tél : 01 44 27 44 05 / 70 39 mél : heidmann@spectro.jussieu.fr pinard@spectro.jussieu.fr Contacts presse CNRS : Séverine Duparcq Tél : 01 44 96 46 06 mél : severine.duparcq@cnrs-dir.fr * Version numérique du schéma en couleurs disponible au bureau de presse

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