Le détecteur

Virgo est un interféromètre laser doté de deux bras perpendiculaires de 3 km de long. Il est installé à l’Observatoire Gravitationnel Européen (EGO), dans la campagne près de Pise, en Italie. Son objectif est de détecter les ondes gravitationnelles provenant de sources astrophysiques.

À l’intérieur de Virgo, le faisceau lumineux produit par un laser est divisé en deux par un miroir semi-réfléchissant, appelé « séparateur de faisceau » ou lame séparatrice. Les deux faisceaux résultants se déplacent sur des trajectoires perpendiculaires distinctes : les « bras ».

Un miroir placé à l’extrémité de chacun des bras de 3 km de long réfléchit la lumière, de sorte que les deux faisceaux se redirigent vers le séparateur de faisceaux. Les deux faisceaux de retour se recombinent au niveau de la lame séparatrice et interfèrent l’un avec l’autre.

La frange sombre

Cette « figure d’interférence » change en fonction de la différence de temps nécessaire aux faisceaux laser pour parcourir les deux bras. En l’absence de signal d’onde gravitationnelle, les deux faisceaux mettent le même temps pour parcourir les deux bras de même longueur. Dans ce cas, ils se recombinent de manière destructive à la sortie du détecteur. Cela signifie que les faisceaux s’annulent mutuellement et qu’aucune lumière n’atteint le photodétecteur à la sortie de l’interféromètre. Ce point de fonctionnement est appelé la « frange sombre » de l’interféromètre.

L’effet d’une onde gravitationnelle

En revanche, lorsqu’une onde gravitationnelle traverse le détecteur, elle étire alternativement un bras et rétrécit l’autre d’une quantité minuscule (environ un millième du diamètre d’un proton). En conséquence, la lumière met un temps différent pour parcourir les deux bras. Dans ce cas, lorsque les deux faisceaux se recombinent, ils ne sont plus en opposition de phase et une petite quantité de lumière, proportionnelle au décalage causé par le passage de l’onde gravitationnelle, est maintenant détectable par le photodétecteur.
Plus les bras du détecteur sont longs, plus la variation de leur longueur causée par le passage d’une onde gravitationnelle est importante. C’est la raison pour laquelle les bras de Virgo sont si longs : trois kilomètres.

Bien entendu, la mise en pratique de ce principe de fonctionnement avec un véritable instrument est extrêmement complexe et présente plusieurs défis scientifiques et technologiques. Deux des enjeux les plus complexes consistent à augmenter l’intensité du signal des ondes gravitationnelles et à réduire le bruit qui perturbe la mesure.