Actu science : pourquoi VIRGO n’a rien vu?

Le 17 août 2017, la fusion de deux étoiles à neutrons dans la galaxie NGC4993 a été enregistrée par un faisceau de télescopes terrestres et spatiaux mais également par les 2  détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO. Mais le détecteur VIRGO, lui, n’a rien vu…

Pourquoi le détecteur VIRGO n’a rien détecté ?

Le phénomène enregistré

Le phénomène enregistré est la fusion de 2 étoiles à neutrons, les objets les plus denses connus en dehors des trous noirs. La matière y est tellement concentrée qu’une cuillère à soupe d’étoile à neutron pèse 10 milliards de tonnes.

Chacune des 2 étoiles attire l’autre et lui tourne autour en dessinant une spirale. Comme les patineurs qui tournent plus vite en ramenant leur bras contre leur poitrine, les 2 étoiles tournent de plus en plus vite au fur et à mesure de leur rapprochement : c’est la loi de la conservation du moment cinétique.

La théorie de la relativité générale d’Einstein prévoit qu’un objet massif qui se déplace à grande vitesse crée des ondes de déformation de l’espace-temps. A chaque tour, le duo d’étoiles a donc créé une vague et c’est les dernières (les plus intenses) qui ont été détectées par le détecteur LIGO. Au même moment, les télescopes ont enregistrés la fusion sur toute la gamme de longueur d’onde disponible, des ondes radio aux rayons gamma. Mais le détecteur VIRGO, lui, n’a rien détecté…

Le fonctionnement du détecteur

Le détecteur d’ondes gravitationnelles est un interféromètre de Michelson-Morley réglé en interférences destructives.

Concrètement, il est constitué de 2 bras perpendiculaires parcourus par un faisceau laser. Le faisceau est réfléchi plusieurs fois dans le bras, de sorte qu’il parcourt environ 150km avant d’atteindre le détecteur. L’écart de longueur entre 2 bras est maintenu à exactement la moitié de la longueur d’onde utilisée (plus petit que le diamètre d’un atome). Avec ce réglage, la recombinaison des 2 faisceaux de lumière créée une interférence destructive : le détecteur n’enregistre pas de lumière…

En revanche, lorsqu’une onde le traverse, l’un de ses bras est raccourci et cette différence de longueur modifie le déphasage entre les 2 faisceaux et leur recombinaison n’est plus totalement destructive : de la lumière arrive sur le détecteur.

Finalement, pourquoi VIRGO n’a rien vu ?

Les interféromètres de Michelson-Morley sont plans, de sorte que si la déformation à enregistrer n’est pas contenue dans ce plan, le signal détecté va être plus faible. S’il provient d’une région de l’espace perpendiculaire au plan de l’interféromètre ou s’il provient de la bissectrice des 2 bras de l’interféromètre, il ne sera pas détecté du tout. En effet, dans ces cas les 2 bras se déforment de manière égale, ce qui n’affecte pas le déphasage entre les faisceaux lumineux. On parle de « zone aveugle », comme pour une antenne de réception radio.

C’est en partie pour cette raison que 3 interféromètres ont été construits (2 aux Etats-Unis et un en Europe). Aucun des 2 n’est dans le même plan que les 2 autres. La détection simultanée d’un signal par les 3 interféromètres permet de localiser son origine par triangulation.

Pour VIRGO, la région de l’espace pour lequel il est ‘aveugle’ correspond aux constellations situées au-dessus de l’Afrique du Sud, et c’est dans cette région que la fusion d’étoiles enregistrée cette nuit provenait, comme le montre cette animation.

Virgo antenna patternhttps://www.oca.eu/images/Artemis/Films/antenna-patterns.mp4

A votre avis, que va être le prochain phénomène détecté par LIGO / VIRGO ?

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