Mesurer les ondes gravitationnelles avec du verre

Des chercheurs de Jena ont fabriqué pour les capteurs de vibration du télescope Einstein des résonateurs très sensibles entièrement en verre pour la première fois. © Fraunhofer IOF / Researchers from Jena have manufactured highly sensitive resonators made entirely of glass for the vibration sensors of the Einstein Telescope. © Fraunhofer IOF

Visualisation : Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l'espace-temps, causées par exemple par la collision de trous noirs. © Fraunhofer IOF / Visualisation : Les ondes gravitationnelles sont des distorsions de l'espace-temps causées, par exemple, par la collision de trous noirs. © Fraunhofer IOF

Le capteur en verre en tant que dessin : en bleu, les ressorts à lamelles, en vert, la masse de test, en gris, le cadre extérieur, en jaune, un revêtement miroir. © Fraunhofer IOF / Le capteur en verre en tant que dessin : en bleu, les ressorts à lamelles, en vert, la masse de test, en gris, le cadre extérieur, en jaune, un revêtement miroir. © Fraunhofer IOF

Le résonateur en verre monolithique avec des ressorts en feuilles ultra-fins est fabriqué à l'aide d'un procédé de jonction spécial. © Fraunhofer IOF / The monolithic glass resonator with paper-thin leaf springs is manufactured using a special joining process. © Fraunhofer IOF

Visualisation du télescope Einstein prévu. © Marco Kraan / Nikhef / Visualisation du télescope Einstein prévu. © Marco Kraan / Nikhef

Le télescope Einstein doit à partir de 2035 explorer les ondes gravitationnelles avec une précision sans précédent. Des chercheurs de Jena ont fabriqué pour le télescope des capteurs ultra-sensibles entièrement en verre pour la première fois.

Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l'espace-temps causées par des événements astrophysiques extrêmes, tels que la collision de trous noirs. Ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière et transportent des informations précieuses sur de tels événements à travers l'univers. Le télescope Einstein doit à l'avenir mesurer ces ondes avec une précision inégalée, devenant ainsi un instrument de mesure de premier plan dans le monde pour la détection des ondes gravitationnelles.

Pour minimiser les perturbations des mesures, le télescope doit être construit jusqu'à 300 mètres sous terre. Mais même là, il existe encore des vibrations mécaniques, causées par exemple par des tremblements de terre lointains ou le trafic routier en surface. Des capteurs de vibrations ultra-sensibles doivent mesurer ces vibrations résiduelles.

Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour l'Optique Appliquée et la Mécanique Fine IOF de Jena ont développé et construit ces capteurs de vibrations en collaboration avec l'Institut Max-Planck de Physique Gravitationnelle (Institut Albert Einstein AEI) de Hanovre.

Résonateur pour capteurs de vibrations entièrement en verre pour la première fois

»Un tel capteur de vibrations se compose de deux composants principaux : un résonateur mobile et un laser qui lit le mouvement du résonateur«, explique le Dr Pascal Birckigt, chef de projet au Fraunhofer IOF de Jena. Le résonateur a été fabriqué à Jena, le laser à Hanovre en complément. »Le résonateur mécanique est la partie du capteur qui convertit les vibrations de l'environnement en un mouvement mesurable, un peu comme une fourchette.«

Les chercheurs du Fraunhofer IOF ont créé quelque chose qui n'avait jamais existé auparavant : un résonateur mécanique finement travaillé, entièrement en silice (>99,8% SiO2). Il combine une faible fréquence propre de 15 Hertz avec un facteur de qualité élevé (>100 000) et une taille compacte d'à peine cinq centimètres de diamètre.

»Les capteurs de vibrations seront prochainement placés à proximité immédiate des miroirs, pesant environ 200 kilogrammes, dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles du télescope Einstein«, explique Birckigt. Il y aura trois capteurs par miroir. »La sensibilité des capteurs sera si élevée grâce à nos résonateurs qu'ils pourront distinguer clairement les pics dans les spectres sismiques, notamment ceux provenant de l'Atlantique, situé à environ 200 kilomètres du site du télescope.«

Exigences complexes pour le capteur : le verre est la solution

La fabrication complète des résonateurs en verre découle des exigences complexes du capteur : »Dans le télescope Einstein, il y a peu d'espace disponible pour les capteurs«, explique Birckigt. »En même temps, ils doivent être très performants.« Seul le matériau verre permettrait de concilier ces exigences de compacité, de faible fréquence propre et de haute sensibilité. La raison en est les ressorts en feuille, situés à l'intérieur du résonateur.

Les ressorts en feuille sont le cœur du résonateur. Ils permettent sa faible fréquence propre, c'est-à-dire la fréquence à laquelle le système commence à réagir aux vibrations. Cela est nécessaire car le télescope Einstein veut mesurer des ondes de basse fréquence comprises entre 3 et 30 Hertz. »Pour que cela soit possible, deux options techniques s'offrent à nous«, explique Birckigt. »Soit on intègre à l'intérieur du résonateur une masse de test importante, qui réagit aux vibrations extérieures, soit on utilise de longues poutres flexibles, appelées ressorts en feuille, fixées à la masse de test.«

Une masse de test importante ne peut pas être utilisée en raison de la compacité requise du capteur. La seule solution restante est celle des ressorts en feuille, fabriqués en verre par les chercheurs : »Le verre se distingue par sa rigidité exceptionnelle«, explique Birckigt. »Il ne montre pratiquement aucune déformation plastique. Il est donc possible de fabriquer des ressorts en feuille extrêmement fins en verre.« Fins en l'occurrence signifie : une seule feuille d'une épaisseur de 0,1 millimètre, de sept centimètres de long et pesant seulement 34 milligrammes. Au total, six de ces ressorts maintiennent la masse de test de trois grammes stable et alignée à l'intérieur du résonateur.

Procédé spécifique de fabrication pour le résonateur en verre

La fabrication d'un résonateur aussi fin et performant est un processus complexe. Elle comprend des opérations de fraisage, de polissage et des procédés de traitement au laser. De plus, un procédé de fixation spécifique, activé par plasma, est utilisé pour établir une liaison au niveau atomique entre les surfaces en verre du résonateur. »Les deux pièces forment ainsi une unité monolithique, durable«, explique Birckigt, qui supervise dans le projet la fabrication du composant en verre. »Cela rend le résonateur extrêmement stable et précis.« Les chercheurs du Fraunhofer IOF souhaitent continuer à développer cette méthode de collage du verre sans couche intermédiaire. Leur objectif est de créer des structures encore plus complexes en trois dimensions.

Potentiels d'application pour l'espace et la fabrication de semi-conducteurs

Les nouveaux résonateurs en verre pourraient à terme être utilisés partout où des systèmes de capteurs compacts de mesure d'accélération ou d'orientation doivent être surveillés. Cela concerne, en plus de la recherche sur les ondes gravitationnelles, par exemple, les satellites — notamment pour déterminer leurs trajectoires, mesurer la surface terrestre ou la navigation inertielle. De plus, ces résonateurs peuvent améliorer la précision de mesure des interféromètres atomiques et être utilisés dans la lithographie EUV pour la fabrication de semi-conducteurs.

Planification du démarrage du télescope Einstein à partir de 2035

Le télescope Einstein est en développement depuis 2008. Il s'agit d'un détecteur d'ondes gravitationnelles de troisième génération, très sensible, avec une sensibilité jusqu'à dix fois supérieure à celle des détecteurs actuels. La mise en service est prévue pour 2026, et ses observations devraient commencer à partir de 2035. Selon le plan actuel, le site du télescope sera situé dans l'Euregio Maas-Rhein, à la frontière entre l'Allemagne, la Belgique et les Pays-Bas.

Le développement des capteurs a été réalisé par des chercheurs de Jena et de Hanovre dans le cadre du projet « Technologies du verre pour le télescope Einstein » (GT4ET).