5.4.1 Principe

LIGO est un interféromètre de Michelson dont les deux bras, perpendiculaires, mesurent environ 4 km. Une onde gravitationnelle de passage déforme l’espace transversalement à sa direction de propagation : elle allonge un bras et raccourcit l’autre. Si ℎ est la déformation relative (sans dimension), les deux bras varient de ±ℎ𝐿/2 et la différence de longueur vaut Δ𝐿=ℎ𝐿. On règle le Michelson sur la frange sombre : le signal est lu sur le port de sortie, sombre au repos, où l’éclairement varie comme sin2(Δ𝜑/2) avec

Δ𝜑=4𝜋𝜆(𝐿1−𝐿2)=4𝜋ℎ𝐿𝜆.

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Fig. 48. – Configuration optique d’Advanced LIGO (bras non à l’échelle). Chaque bras est une cavité Fabry-Perot entre un miroir d’entrée (ITM) et un miroir de fond (ETM) ; les miroirs de recyclage renvoient vers l’interféromètre la lumière qui retournerait vers le laser et celle du signal.

5.4.2 Gagner en sensibilité

Cavités Fabry-Perot dans les bras. Chaque bras est une cavité résonnante de finesse ℱ︀=450 : la lumière y fait en moyenne 2ℱ︀/𝜋∼290 allers-retours, ce qui multiplie le déphasage par le même facteur :

Δ𝜑=2ℱ︀𝜋⋅4𝜋ℎ𝐿𝜆=8ℱ︀ℎ𝐿𝜆∼10−8 rad.

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Recyclage de puissance. À la frange sombre, presque toute la lumière retourne vers le laser. Un miroir de recyclage placé devant la séparatrice la renvoie dans l’interféromètre, ce qui multiplie la puissance utile : quelques dizaines de watts en entrée donnent environ 100 kW dans les cavités des bras.

Recyclage du signal. Un miroir placé sur la sortie élargit la bande de fréquence du détecteur.

Masses d’épreuve isolées. Les miroirs, en silice, pèsent 40 kg et sont suspendus à des pendules à quatre étages, dans un ultravide, pour isoler l’interféromètre des vibrations du sol.

Fig. 49. – Allure du signal d’une fusion de deux objets compacts (schématique, type GW150914) : de 35 à 250 Hz en un cinquième de seconde environ.

5.4.3 Bruits et réseau de détecteurs

La sensibilité est limitée par le bruit sismique en dessous de 10 Hz, par le bruit thermique des miroirs et de leurs suspensions aux fréquences moyennes, et par le bruit quantique : bruit de photon à haute fréquence (le déphasage minimal détectable varie comme 1/𝑃) et pression de radiation à basse fréquence. Le détecteur est le plus sensible vers 100 à 300 Hz.

LIGO fonctionne en réseau avec Virgo (Cascina, en Italie, bras de 3 km) et KAGRA (au Japon) : la comparaison des instants d’arrivée localise la source sur le ciel. En 2017, l’onde GW170817, produite par la fusion de deux étoiles à neutrons, a été suivie d’un signal électromagnétique observé par de nombreux télescopes.

Pour aller plus loin. B. P. Abbott et al., Physical Review Letters 116, 061102 (2016) ; J. Aasi et al. (LIGO Scientific Collaboration), Classical and Quantum Gravity 32, 074001 (2015).