La technologie du vide permet de prouver l'existence de trous noirs

La technologie du vide aide à prouver l'existence de trous noirs

source de l'image : Event Horizon Telescope Collaboration

Le 10 avril 2019 à 21 heures, le projet du télescope EventHorizon (EHT) a tenu une conférence de presse simultanée dans six endroits du monde, notamment à Bruxelles, San Diego, Shanghai, Taipei, Tokyo et Washington.

Qu'est-ce qu'un trou noir?

Le trou noir est une sorte de corps céleste dans la relativité générale moderne. La gravité du trou noir est si grande que la vitesse de sortie dans l'horizon des événements est supérieure à la vitesse de la lumière. Un trou noir est un objet dont la courbure est si grande que la lumière ne peut échapper à son horizon d'événements.

En 1916, l'astronome allemand Karl schwarzschild Einstein obtient l'équation du champ gravitationnel en calculant le vide dans la solution. La solution montre que si un peu concentrer une grande quantité de matériau dans l'espace, l'environnement produira des phénomènes étranges, qui existent autour de la particule une interface - "l'horizon des événements" une fois dans l'interface, même la lumière peut s'échapper. Cet "objet incroyable" a été qualifié de "trou noir" par le physicien américain John Archibald Wheeler.

Que sont les ondes gravitationnelles?

Des ondes gravitationnelles sont produites lorsque des objets volumineux tels que des étoiles à neutrons ou des trous noirs s’accélèrent et s’articulent autour de l’autre. Lorsqu'elles entrent en collision, elles se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Pendant leur orbite, les ondes gravitationnelles qu’elles émettent compriment et étirent l’espace, ce qui déforme l’espace-temps. La déformation est extrêmement petite et vibratoire. Au sens figuré, il ressemble aux ondulations sur l'eau causées par une pierre jetée à l'eau.

En septembre 2015, le LIGO (observateur d'interféromètre laser) en Louisiane et dans l'État de Washington, aux États-Unis, a détecté les ondes gravitationnelles directement sur Terre, confirmant ainsi la théorie d'Einstein sur la limite du champ gravitationnel puissant à la source et constituant une percée en astrophysique. La technologie du vide a joué un rôle clé dans les mesures spectaculaires de LIGO. Le schéma de vide universel implique la mesure de LIGO et les expériences de base associées.

E = MC2: c'est probablement la formule la plus connue de la physique. Il fait partie de la théorie de la relativité formulée par Albert Einstein en 1905 et décrit l'équivalence de la masse et de l'énergie. Des années plus tard, le célèbre physicien étendit ses observations à la gravité et décrivit mathématiquement l'existence d'ondes gravitationnelles dans le cadre de sa théorie générale de la relativité, publiée en 1915. Depuis 100 ans, cette théorie est acceptée par les physiciens. À l'aide d'observatoires à ondes gravitationnelles d'interféromètre laser installés à Washington et en Louisiane, les scientifiques ont pu détecter pour la première fois le rayonnement produit par la collision de deux trous noirs. Par la suite, l'existence d'un système de double trou noir a été confirmée et il a été démontré que sa dynamique suivait les équations d'Einstein.

Une preuve remarquable pour la théorie d'Einstein

En septembre 2015, LIGO a détecté pour la première fois les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs dans une galaxie distante de 1,3 milliard d'années lumière. Cela confirme non seulement la théorie d'Einstein, mais ces découvertes sont les premières à confirmer l'existence de trous noirs appariés. Pour les chercheurs, cette découverte marque une nouvelle ère en astronomie, comparable au travail astronomique commencé par Galilée au 17ème siècle.

En septembre 2015, LIGO a détecté pour la première fois les ondes gravitationnelles issues de la fusion de deux trous noirs dans une galaxie distante de 1,3 milliard d'années lumière. Cela confirme non seulement la théorie d'Einstein, mais ces découvertes sont les premières à confirmer l'existence de trous noirs appariés. Pour les chercheurs, cette découverte marque une nouvelle ère en astronomie, comparable au travail astronomique commencé par Galilée au 17ème siècle.

Le détecteur fonctionne sur des interféromètres de Michelson. Dans un interféromètre, un faisceau laser est séparé par un séparateur de faisceau et traverse un système de miroirs optiques par deux chemins optiques aussi longtemps que possible. Le faisceau laser est ensuite combiné dans le détecteur. De cette manière, la différence de temps minimale de vol du faisceau laser produit par l'onde gravitationnelle peut être mesurée. Même dans un miroir distant de 4 km, les ondes gravitationnelles entraînent une variation de la distance des faisceaux laser d'un millième (10 à 18 m) de la taille d'un noyau.

Les 'trous noirs' produisent des 'ondes gravitationnelles'
La technologie du vide confirme l'existence d'ondes gravitationnelles!

La technologie de vide de Pfeiffer Vacuum , utilisée dans l'expérience LIGO, est nécessaire pour confirmer l'existence d'ondes gravitationnelles sur la Terre. Afin de garantir un fonctionnement normal, les deux trajets de lumière du laser ne doivent pas être perturbés. En conséquence, les faisceaux laser et les miroirs optiques sont placés dans un système à vide ultra poussé. Afin de garantir la qualité et la fiabilité du système, afin que l’expérimentation puisse s’effectuer sans à-coups, une préparation allant jusqu’à dix ans est nécessaire. Dans le cadre de cette préparation, des recherches fondamentales ont été menées dans des instituts de physique du monde entier afin de préparer des expériences sur les ondes gravitationnelles.

Le vide universel fournit un vide pour beaucoup de ces expériences de base. Le vide dans la sonde LIGO est également contrôlé par le système d'analyse PVD. Les pompes moléculaires HiPace à vide universelles et les spectromètres de masse sont utilisés pour préserver la qualité et détecter les fuites lors du diagnostic de la cuisson en tube à faisceau géant. Ces dispositifs sont utilisés pour maintenir les conditions de vide nécessaires dans le système de tuyauterie et fournissent les conditions environnementales nécessaires au succès des expériences .

Globalement, quel rôle a joué la technologie du vide dans le travail expérimental de LIGO?

Dans un porte-à-faux de 4 km, un vide d'un niveau inférieur à 10-9 torr est requis pour éviter le bruit de phase dans la sortie de l'interféromètre causé par la diffusion en avant des molécules de gaz résiduels. Le bruit de phase le plus grave provient des macromolécules, fortement polarisées et se déplaçant lentement.

Dans la chambre de la masse d’essai, un vide inférieur à 10-8 torr est nécessaire pour éviter la fluctuation d’impulsion de la masse d’essai provoquée par la collision d’atomes de gaz résiduels. De même, les atomes plus lourds font plus de bruit que les plus légers.

A quelles exigences spécifiques le système de vide doit-il répondre?
Outre les exigences de pression ci-dessus, le système de vide doit fonctionner de manière fiable pendant plusieurs mois à la fois. De plus, les vibrations de la pompe à vide ne doivent pas affecter la qualité du test.

L’existence d’ondes gravitationnelles a été confirmée, ainsi que la théorie de la relativité d’Einstein. Qu'est-ce que cela signifie pour le travail expérimental de LIGO? Comment ça va marcher?
Les grands objectifs ne sont pas encore atteints. Seul un petit pas en avant. Avec une précision de conception améliorée, LIGO ouvrira le champ de l'astronomie des ondes gravitationnelles. Il s'agit d'un nouveau domaine de l'astrophysique, explorant l'univers sombre en observant les ondes gravitationnelles émises par l'accélération de la matière dans tout l'univers. Nous savons qu'il existe des systèmes à double trou noir et des étoiles à neutrons. Mais ils restent à apprendre. Les spectres de masse des trous noirs fourniront des informations sur leur structure et révéleront leur importance en astronomie. Les étoiles à neutrons nous donnent une équation pour l'état de la matière nucléaire et peuvent nous dire comment se forment des éléments lourds dans l'univers. Si nous pouvions observer une supernova, les ondes gravitationnelles révéleraient le processus interne d’effondrement des étoiles. Il peut y avoir de nouvelles sources d’ondes gravitationnelles auxquelles nous n’avons pas encore pensé.