Cosmic Explorer (interféromètre)

Cosmic Explorer
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 États-Unis

Cosmic Explorer est un projet américain de détecteur d'ondes gravitationnelles de troisième génération. Il est composé d'une paire d'interféromètres, avec des bras de respectivement 40 et 20 km de long, reprenant une conception proche de LIGO. Leur taille et les améliorations techniques des différents éléments du détecteur prévoient d'améliorer sa sensibilité d'un facteur 10[1].

Le détecteur est encore à l'état de projet, et pourrait voir le jour d'ici la fin des années 2030[2],[3].

Motivation

La sensibilité prévue du détecteur est 10 fois plus élevée que celle de LIGO, et intégrerait des fréquences plus basses, descendant jusqu'à 5 Hz (au lieu de 10 pour LIGO). Ces deux facteurs doivent permettre la détection de coalescences de trous noirs binaires jusqu'à un décalage vers le rouge de 20, couvrant essentiellement tout l'univers observable. Cela pourrait se traduire par plusieurs centaines de milliers d'observations par an (contre seulement une centaine en 2025), donnant une connaissance précise de la population de ce type d'objets. Il devrait également grandement augmenter le nombre de détections de binaires d'étoiles à neutrons, permettant d'en apprendre plus sur les caractéristiques de celles-ci, notamment via l'observation d'évènements multimessagers[1],[4],[5],[6].

La sensibilité accrue permettrait également une meilleure observation de sources que l'on est déjà capable de détecter aujourd'hui. Cette haute sensibilité permettrait notamment une meilleure estimation des paramètres des sources, ainsi que la réalisation de meilleurs tests de la relativité générale[7],[8],[9].

Elle pourrait enfin permettre la détection de nouveaux types de source, incluant les supernovas, les cordes cosmiques ou les trous noirs primordiaux[1],[4].

Conception

Courbe de sensibilité de Cosmic Explorer comparée aux détecteurs actuels (LIGO) et futurs (Einstein Telescope). Une courbe plus basse indique une sensibilité plus fine dans la bande de fréquence considérée.

Le projet prévoit actuellement la création de deux interféromètres en L, reprenant une configuration similaire à LIGO, avec des dimensions bien supérieures : l'un des sites aurait des bras de 40 km, et le deuxième de 20 km (en comparaison avec les 4 km de LIGO). La conception des deux interféromètres est similaire, et reprend de nombreux éléments développés pour LIGO, afin de tirer parti de l'expérience acquise sur celui-ci et de réduire les risques[1].

Comme pour les détecteurs actuels, l'isolation du détecteur du monde extérieur et la réduction du bruit instrumental sont des enjeux cruciaux. Les différents composants du détecteur seront placés dans un ultravide, et les optiques seront suspendues à l'aide de fibres de verre. La conception actuelle prévoit des miroirs de 320 kg, d'une qualité sensiblement supérieure à celle des miroirs de LIGO afin de réduire la perte de lumière[1],[4].

Une conception alternative intégrerait la cryogénie pour refroidir les miroirs et ainsi réduire le bruit thermique, permettant également une puissance plus élevée pour le laser (dont la longueur d'onde serait portée à 2 µm). Cette option est cependant jugée plus risquée, la technologie cryogénique n'étant pas encore mature[4].

La sélection des sites abritant les deux interféromètres est encore en cours. Elle représente un enjeu important pour le projet, étant donné la difficulté de trouver un emplacement répondant aux différents critères aux États-Unis. Il nécessite en effet de trouver un terrain relativement plat, s'étendant sur 40 km dans deux directions, empiétant le moins possible sur des constructions existantes ou des lieux comme les parcs nationaux ou des réserves amérindiennes. Répondre à ces contraintes pourrait nécessiter un ajustement de la conception des détecteurs[10].

Historique

Les premières propositions d'un interféromètre de 40 km de long datent de  ; elles sont antérieures à la première détection directe d'ondes gravitationnelles par LIGO[11]. À la suite de la détection réalisée en , l'intérêt pour les détecteurs de troisième génération grandit, et le projet prend forme en 2016, déjà sous le nom de Cosmic Explorer, en parallèle du développement du Einstein Telescope en Europe[12].

Le projet est actuellement en cours d'étude, la NSF ayant financé les études préliminaires sur la conception du détecteur[13]. En 2024, un sous-comité de la NSF recommande la construction de Cosmic Explorer[14]. Le financement du projet à la suite des différentes phases préliminaires pourrait avoir lieu en , pour une construction d'ici la fin des années 2030[15].

Notes et références

  1. 1 2 3 4 5 David Reitze, Rana X. Adhikari, Stefan Ballmer et Barry Barish, Cosmic Explorer: The U.S. Contribution to Gravitational-Wave Astronomy beyond LIGO, (DOI 10.48550/arXiv.1907.04833, lire en ligne)
  2. ↑ (en) Rachel Feltman, Naeem Amarsy, Jeffery DelViscio, Alex Sugiura, « Gravitational Waves Were Discovered 10 Years Ago. What Comes Next for the LIGO Lab? », sur Scientific American (consulté le )
  3. ↑ (en) « Aggressive Timeline Proposed for Next-gen Gravitational Wave Detectors », sur AIP, (consulté le )
  4. 1 2 3 4 Matthew Evans, Rana X. Adhikari, Chaitanya Afle et Stefan W. Ballmer, A Horizon Study for Cosmic Explorer: Science, Observatories, and Community, (DOI 10.48550/arXiv.2109.09882, lire en ligne)
  5. ↑ Kara Merfeld et Alessandra Corsi, Probing Binary Neutron Star Merger Ejecta and Remnants with Gravitational Wave and Radio Observations, (DOI 10.48550/arXiv.2506.22835, lire en ligne)
  6. ↑ Alessandra Corsi, Lisa Barsotti, Emanuele Berti et Matthew Evans, Multi-messenger Astrophysics of Black Holes and Neutron Stars as Probed by Ground-based Gravitational Wave Detectors: From Present to Future, (DOI 10.48550/arXiv.2402.13445, lire en ligne)
  7. ↑ (en) Samsuzzaman Afroz et Suvodip Mukherjee, « Prospect of precision cosmology and testing general relativity using binary black holes – galaxies cross-correlation », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 534, no 2,‎ , p. 1283–1298 (ISSN 0035-8711 et 1365-2966, DOI 10.1093/mnras/stae2139, lire en ligne, consulté le )
  8. ↑ Parthapratim Mahapatra, Marc Favata et K. G. Arun, « Testing general relativity via direct measurement of black hole kicks », Physical Review D, vol. 110, no 8,‎ , p. 084041 (DOI 10.1103/PhysRevD.110.084041, lire en ligne, consulté le )
  9. ↑ (en) Bangalore S. Sathyaprakash et Kathleen Hill, « Testing General Relativity with Gravitational Wave Observations », NSF Award, vol. 20, no 2012083,‎ , p. 12083 (lire en ligne, consulté le )
  10. ↑ Kathryne J. Daniel, Joshua R. Smith, Stefan Ballmer et Warren Bristol, Criteria for identifying and evaluating locations that could potentially host the Cosmic Explorer observatories, (DOI 10.48550/arXiv.2410.00293, lire en ligne)
  11. ↑ (en) Sheila Dwyer, Daniel Sigg, Stefan W. Ballmer et Lisa Barsotti, « Gravitational wave detector with cosmological reach », Physical Review D, vol. 91, no 8,‎ (ISSN 1550-7998 et 1550-2368, DOI 10.1103/PhysRevD.91.082001, lire en ligne, consulté le )
  12. ↑ « Exploring the sensitivity of next generation gravitational wave detectors », Classical and Quantum Gravity, vol. 34, no 4,‎ , p. 044001 (ISSN 0264-9381 et 1361-6382, DOI 10.1088/1361-6382/aa51f4, lire en ligne)
  13. ↑ (en) « National Science Foundation Awards Significant Funding to the Members of the Cosmic Explorer Project », sur cosmicexplorer.org (consulté le )
  14. ↑ (en) NSF MPS AC Subcommittee, Next-Generation Gravitational-Wave Detector Concepts Report, NSF, (lire en ligne [PDF])
  15. ↑ (en) Lisa Barsotti et Cosmic Explorer project, « Cosmic Explorer: Status and plans » [PDF], (consulté le )

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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