La NASA développe un interféromètre atomique pour détecter les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles sont le plus grand défis de la physique. Prédites par Albert Einstein en 1916 dans le cadre de sa théorie de la relativité générale, ces ondes pourraient aider les scientifiques à résoudre de nombreux mystères sur l’origine de l’univers. Mais il faudrait déjà que les scientifiques les détectent. Cet ainsi que les chercheurs de l’Université de Stanford et de Goddard de la NASA développent une nouvelle technique d’interférométrie atomique qui pourrait être assez sensible pour enregistrer les ondes de gravité.

Les ondes de gravité sont des ondulations dans le continuum espace-temps provoquées par des événements catastrophiques tels que les collisions d’étoiles supermassifs ou le Big Bang. Quand ils sont générés, c’est comme si l’univers résonnait. Si elles pouvaient être étudiées, ces vagues pourraient fournir aux scientifiques une mine d’informations sur les trous noirs ce qui permettrait de comprendre et simuler les premiers instants du Big Bang.

Le problème pour les scientifiques est que ces ondes sont très faibles et lorsque la Terre traverse l’une d’elle, elle se dilate et se contracte d’une distance inférieure à celle de la largeur d’un atome. Cette infime réaction est extrêmement difficile à détecter, même avec les instruments les plus sensibles. Cet ainsi que l’équipe de Stanford/Goddard en conjonction avec AOSense de la Californie sont entrain de développer un interféromètre qui utilise des atomes au lieu de la lumière pour produire un détecteur ultrasensible.

Un interféromètre est un dispositif qui permet de détecter de très petits changements avec une grande précision. La plus connue des laboratoires universitaires utilise la lumière à travers les ondes radio, les rayons X et à peu près toutes les autres ondes. Le principe de base est un rayon de lumière qui passe à travers un séparateur de faisceau et est divisé en deux nouveaux faisceaux. Un faisceau se déplace le long du trajet initial et l’autre est dirigé horizontalement à l’autre. Ces faisceaux rebondissent ensuite sur des miroirs et sont renvoyés vers leurs chemins d’origines. Le séparateur de faisceau dirige ensuite les deux faisceaux vers un détecteur. Les ondes qui constituent les deux faisceaux interfèrent ensuite avec une autre en formant un motif.

Le plus intéressant dans tout cela, c’est que si quelque chose altère l’un des faisceaux, cela change le motif résultant et là les scientifiques peuvent en déduire l’ampleur du changement. La sensibilité de l’instrument dépend de la longueur d’onde utilisée, la distance des trajets parcourus et la stabilité de l’appareil.

Dans le cas de l’interférométrie atomique, l’équipe de Stanford/Goddard exploite une particularité de la mécanique quantique qui stipule que si un atome est refroidi à près de zéro absolu, il prend les propriétés d’une onde. Selon Mark Kasevich, un professeur de l’Université de Stanford et membre de l’équipe, «Les atomes arrivent à être dans deux endroits à la fois, les rendant analogues à l’interférométrie par lumière.”

Ce que l’équipe va faire est d’insérer un nuage d’atomes de rubidium neutres à l’intérieur d’une tour de 10 m dans le sous-sol d’un laboratoire de physique de l’Université de Stanford. Comme ces atomes tombent, ils vont être frappés avec un laser qui va les refroidir et les étaler. En raison des particularités de la mécanique quantique, les atomes de rubidium agissent comme un interféromètre de lumière à l’envers avec les lasers qui composent le détecteur agissant comme un séparateur de faisceau et comme miroirs tandis que les atomes émettent des ondes de matière en raison de la superposition des États.

Le résultat de tout cela est un interféromètre capable de détecter un changement de picomètre (c’est un millième de milliardième de mètre). Pour mettre cela en perspective, un atome d’hélium à travers ce système est de 62 picomètres.

L’équipe espère que ce dispositif sera assez sensible pour détecter les ondes gravitationnelles, mais qu’il sera également utilisé pour une navigation ultra-précise pour les avions, sous-marins et les sondes explorant des astéroïdes. Si la technique est couronné de succès, l’équipe prévoit de l’adapter pour une mission spatiale composée de trois sondes volant dans une formation triangulaire de 500 à 5000 km pour former un interféromètre atomique géant de sensibilité encore plus grande.

Source: NASA