Un nouveau laser plus puissant dope la sensibilité de Virgo
Depuis l’arrêt de la prise de données en avril 2020, scientifiques et ingénieurs se relaient auprès du détecteur d’ondes gravitationnelles Virgo pour en améliorer les performances. Première étape importante franchie en décembre, l’installation d’un nouveau laser qui va doubler la puissance lumineuse en entrée de l’interféromètre. Raffaele Flaminio, chercheur au LAPP et chef de projet pour la construction d'Advanced Virgo + nous en dit plus.
Quelles sont les caractéristiques du nouveau laser installé sur Virgo ?
Il s’agit d’un laser à fibre, mis au point au laboratoire Artemis à Nice, et qui vient augmenter significativement la puissance lumineuse injectée dans Virgo. Lors des premiers tests en décembre nous avons atteint une puissance injectée dans l’interféromètre de 50 W, soit le double de ce qui était injecté lors de la précédente prise de donnée du détecteur, et 10 W de plus que la puissance qui sera nécessaire à la prochaine campagne. C’est donc un grand pas.
Cette puissance semble étonnamment modeste au regard de ce que peuvent faire les lasers ?
Oui 40W est tout juste la puissance d’une lampe de bureau, mais les lasers utilisés par Virgo doivent être particulièrement stables. Le chalenge est de produire une armée de deux cent milliard de milliard de photons par seconde qui se propagent tous dans la même direction et avec exactement la même longueur d'onde. Ce nouveau laser permet de produire plus de 100 W avec la stabilité requise. En réduisant aussi les pertes dans le système d'injection il a été possible d'atteindre 50 W à l'entrée de l'interféromètre.
En quoi cette montée en puissance va améliorer la détection ?
Lorsque l’on augmente la puissance, cela revient à multiplier le nombre de photons injectés simultanément dans l’interféromètre et à diminuer l’incertitude statistique sur la mesure de l’amplitude du signal en sortie d’instrument. Cette incertitude, causée par ce que l’on appelle le « bruit de grenaille des photons », détériore la sensibilité de l’interféromètre à des phénomènes dont la fréquence dépasse la centaine de Hertz. C’est le cas par exemple pour les fusions d’étoiles à neutrons que l’on pourra maintenant étudier avec beaucoup plus de précision.
D’autres améliorations sont-elles prévues pour Virgo ?
Ce changement de laser fait partie d'un ensemble d’améliorations appelé Advanced Virgo + et auquel contribuent tous les laboratoires de la collaboration Virgo [1]. Parmi ces améliorations il y a la mise en place d'un nouveau miroir suspendu à la sortie du détecteur, appelé miroir de recyclage du signal. Ce miroir a été installé l’an dernier et il permettra, lui aussi, d’élargir la bande passante de Virgo. Il s'agit maintenant de mettre en place le système de contrôle nécessaire pour que Virgo puisse fonctionner dans cette nouvelle configuration. En parallèle, pour optimiser la sensibilité aux basses fréquences, nous installons un nouveau système optique afin d'injecter dans le détecteur des états comprimés du vide dont la compression dépend de la fréquence [2]. Cela permettra de réduire d’avantage le « bruit de grenaille des photons », tout en réduisant aussi les effets de la pression exercée par les photons sur les miroirs.
Quand VIRGO doit-il redémarrer et quels gains de performances sont attendus ?
La prochaine prise de données doit débuter à l'été 2022. Notre objectif est que Virgo puisse à cette date détecter des coalescences d'étoiles à neutrons jusqu'à des distances d'environ 100 Mpc, deux fois plus loin que pendant la dernière prise de données. À plus long terme nous nous préparons pour la Phase II d'Advanced Virgo+, pendant laquelle, en changeant les miroirs, nous espérons doubler encore cette "distance horizon" de Virgo.
[1] https://apps.virgo-gw.eu/vmd/public/institutions
[2] https://physics.aps.org/articles/v13/s55
