Les interféromètres sont des outils d’investigation utilisés dans de nombreux domaines de la science et de l’ingénierie. Ils sont appelés interféromètres parce qu’ils fonctionnent en fusionnant deux ou plusieurs sources de lumière pour créer un motif d’interférence, qui peut être mesuré et analysé ; d’où « Interfere-o-meter », ou interféromètre. Les figures d’interférence générées par les interféromètres contiennent des informations sur l’objet ou le phénomène étudié. Ils sont souvent utilisés pour effectuer de très petites mesures qui ne sont pas réalisables autrement. C’est pourquoi ils sont si puissants pour détecter les ondes gravitationnelles – les interféromètres de LIGO sont conçus pour mesurer une distance de 1/10 000ème de la largeur d’un proton !

Grandement utilisés aujourd’hui, les interféromètres ont en fait été inventés à la fin du 19ème siècle par Albert Michelson. L’interféromètre de Michelson a été utilisé en 1887 dans l' »expérience de Michelson-Morley », qui visait à prouver ou à réfuter l’existence de l' »éther luminescent » – une substance dont on pensait à l’époque qu’elle imprégnait l’Univers. Tous les interféromètres modernes sont issus de cette première expérience, qui a démontré comment les propriétés de la lumière peuvent être utilisées pour effectuer les mesures les plus infimes. L’invention des lasers a permis aux interféromètres d’effectuer les plus petites mesures concevables, comme celles requises par LIGO.

Remarquablement, la structure de base des interféromètres de LIGO diffère peu de l’interféromètre que Michelson a conçu il y a plus de 125 ans, mais avec quelques caractéristiques supplémentaires, décrites dans L’interféromètre de LIGO.

À quoi ressemble un interféromètre ?

En raison de leur large application, les interféromètres sont de formes et de tailles diverses. Ils sont utilisés pour tout mesurer, des plus petites variations à la surface d’un organisme microscopique, à la structure d’énormes étendues de gaz et de poussière dans l’Univers lointain, et maintenant, pour détecter les ondes gravitationnelles. Malgré leurs différentes conceptions et les divers modes d’utilisation, tous les interféromètres ont un point commun : ils superposent des faisceaux de lumière pour générer une figure d’interférence. La configuration de base d’un interféromètre laser de Michelson est illustrée à droite. Il se compose d’un laser, d’un séparateur de faisceau, d’une série de miroirs et d’un photodétecteur (le point noir) qui enregistre la figure d’interférence.

Qu’est-ce qu’une figure d’interférence ?

Pour mieux comprendre le fonctionnement des interféromètres, il est utile de mieux comprendre ce qu’est une « interférence ». Quiconque a jeté des pierres dans un étang ou une piscine plate et vitreuse et a observé ce qui s’est passé connaît l’interférence. Lorsque les pierres touchent l’eau, elles génèrent des ondes concentriques qui s’éloignent de la source. Et lorsque deux ou plusieurs de ces ondes concentriques se croisent, elles interfèrent entre elles. Cette interférence peut donner lieu à une vague plus grande, une vague plus petite, ou aucune vague du tout. Le motif visible qui se produit là où les ondes se croisent est simplement un motif d' »interférence ».

Les principes de l’interférence sont simples à comprendre. Deux ou plusieurs ondes interagissent. Vous additionnez les hauteurs des ondes séparées lorsqu’elles interagissent, et l’onde qui en résulte est le modèle d' »interférence ». La figure ci-contre illustre deux types d’interférences spécifiques : l’interférence constructive totale et l’interférence destructive totale. L’interférence constructive totale se produit lorsque les crêtes et les creux de deux ondes (ou plus) se rejoignent parfaitement. En les additionnant, on « construit » une onde plus grande, dont la taille est égale à la somme des hauteurs (et des profondeurs !) des deux ondes en chaque point où elles interagissent physiquement. L’interférence destructive totale se produit lorsque les crêtes d’une ou plusieurs ondes se rencontrent et correspondent aux creux d’une onde identique. En les additionnant, elles s’annulent (c’est-à-dire qu’elles se  » détruisent  » mutuellement).

Dans la nature, les pics et les creux d’une onde ne rencontreront pas toujours parfaitement les pics ou les creux d’une autre onde comme le montre l’illustration. De manière pratique, quel que soit leur degré de synchronisation au moment de leur fusion, la hauteur de l’onde résultant de l’interférence est toujours égale à la somme des hauteurs des ondes qui fusionnent le long de chaque point où elles interagissent physiquement. Ainsi, lorsque des ondes se rencontrent de manière un peu désynchronisée, des interférences constructives ou destructives partielles peuvent se produire. L’animation ci-dessous illustre cet effet. La vague noire montre le résultat de l’addition des pics et des creux des vagues rouges et bleues lorsqu’elles se déplacent l’une à travers l’autre (interférence). La vague noire est le résultat de l’addition des hauteurs et des profondeurs de chaque onde à chaque point où elles se croisent. Notez qu’elle connaît une gamme complète de hauteurs, allant du double de la hauteur/profondeur (interférence constructive totale) au plat (interférence destructive totale). Dans cet exemple, l’onde noire est le modèle d’interférence (le modèle qui résulte de l’interférence continue entre les ondes rouge et bleue). Notez comment elle continue à changer tant que les ondes rouges et bleues continuent à interagir.

L’onde noire changeante est le motif d’interférence créé par les ondes rouges et bleues lorsqu’elles se traversent/interagissent entre elles.

Parallèles avec la lumière

Il se trouve que les ondes lumineuses se comportent exactement comme les vagues d’eau. Lorsque deux faisceaux de lumière laser fusionnent, ils génèrent eux aussi une figure d’interférence qui dépend du degré d’alignement des ondes lumineuses au moment de leur combinaison. Comme dans l’eau, lorsque les crêtes des ondes d’un faisceau rencontrent parfaitement les creux de l’autre, il se produit une interférence destructive totale. Dans l’eau, il n’y a pas d’onde. Dans la lumière, il n’y a pas de lumière ! À l’inverse, lorsque les crêtes d’un faisceau rencontrent parfaitement les crêtes d’un autre, il y a interférence constructive totale. Là encore, dans l’eau, la hauteur de la vague résultante est égale à la somme des hauteurs des deux vagues ; dans la lumière, le résultat est une lumière égale à la somme des intensités des deux faisceaux lumineux séparés. En poursuivant cette analogie jusqu’au bout, dans l’eau, lorsque les ondes se croisent, elles peuvent subir une gamme complète d’interférences, de l’interférence partielle à l’interférence totale constructive et destructive (onde plus grande, onde plus petite, pas d’onde). Dans la lumière, il en résulte une gamme complète de luminosité, de l’obscurité à la somme des intensités des faisceaux qui interagissent.

Parallèles entre l’interférence constructive et destructive dans l’eau et avec la lumière. (Adapté de www.explainthatstuff.com)

Pour en revenir aux interféromètres de LIGO, ce qui dicte le degré d’alignement des faisceaux lorsqu’ils fusionnent est la distance qu’ils parcourent avant de fusionner. Si les faisceaux parcourent exactement la même distance, leurs ondes lumineuses seront parfaitement alignées de sorte qu’il en résultera une interférence destructive totale (LIGO est délibérément conçu pour que cela se produise si aucune onde gravitationnelle ne passe). Mais si, pour une raison ou une autre, les lasers ne parcourent pas les mêmes distances, leurs ondes lumineuses ne sont plus synchronisées au moment de leur fusion, ce qui signifie qu’aucune lumière, une faible lumière ou une lumière aussi intense que le faisceau laser d’origine atteint le photodétecteur. Et si les bras changent de longueur au fil du temps, un scintillement apparaît car les faisceaux subissent une gamme d’interférences en fonction de leur rencontre à un moment donné.

Comment les ondes gravitationnelles affectent-elles l’interféromètre de LIGO ?

Les ondes gravitationnelles font que l’espace lui-même s’étire dans une direction et se comprime simultanément dans une direction perpendiculaire. Dans LIGO, cela fait qu’un bras de l’interféromètre s’allonge tandis que l’autre se raccourcit, puis vice versa, dans les deux sens tant que l’onde passe. Le terme technique pour ce mouvement est le mouvement de « bras différentiel », ou déplacement différentiel, puisque les bras changent simultanément de longueur de manière opposée, ou différentiellement.

Comme décrit ci-dessus, lorsque la longueur des bras change, la distance parcourue par chaque faisceau laser change également. Un faisceau dans un bras plus court reviendra au séparateur de faisceau avant le faisceau dans un bras plus long, puis la situation change lorsque les bras oscillent entre être plus longs et plus courts. Arrivant à des moments différents, les ondes lumineuses ne se rejoignent plus correctement lorsqu’elles sont recombinées au niveau du séparateur de faisceau. Au lieu de cela, elles sont alignées et déphasées lorsqu’elles fusionnent pendant que l’onde fait osciller la longueur des bras. En termes simples, cela se traduit par un scintillement de la lumière sortant de l’interféromètre. Ce processus est illustré dans le clip à droite tiré des Messagers d’Einstein .

Bien qu’en principe l’idée semble presque simple, en pratique, détecter ce scintillement ne l’est pas. La modification de la longueur du bras causée par une onde gravitationnelle peut être aussi petite que 1/10.000ème de la largeur d’un proton (soit 10-19 m) ! En outre, trouver un scintillement d’onde gravitationnelle parmi tous les autres scintillements que connaît LIGO (causés par tout ce qui peut faire trembler les miroirs, comme les tremblements de terre ou la circulation sur les routes voisines) est une autre histoire. La technologie LIGO décrit en détail comment LIGO filtre une grande partie de ce « bruit » afin de détecter le « scintillement » de la lumière causé par une onde gravitationnelle.