Les interféromètres sont des instruments de recherche utilisés dans une grande variété de disciplines scientifiques et techniques. En raison de leur capacité à combiner deux ou plusieurs sources lumineuses pour produire un motif d'interférence pouvant être mesuré et étudié, ils sont connus sous le nom d'interféromètres. Les interféromètres produisent des modèles d'interférence qui révèlent des détails sur l'objet ou le phénomène étudié. Ils sont souvent utilisés pour prendre des mesures incroyablement petites qu'il est impossible de faire autrement. Les interféromètres de LIGO sont très efficaces pour détecter les ondes gravitationnelles, grâce à leur capacité à mesurer une distance de 1/10.000 XNUMXème de la largeur d'un proton !
Du milieu à la fin des années 1800, de nombreux scientifiques, dont Hippolyte Fizeau, Martin Hoek, Éleuthère Mascart, George Biddell Airy et Eduard Ketteler, pensaient que la lumière pouvait être utilisée dans une variété de médias, en particulier les médias en mouvement (l'air et l'eau étaient les principaux média utilisé pour cela, puis d'autres). Il a inventé des interféromètres pour mesurer la vitesse. (comme l'eau courante). Ce travail était une composante de la recherche pour comprendre comment le milieu à travers lequel passe la lumière affecte les propriétés ondulatoires de la lumière.
Les scientifiques de l'époque ont suggéré l'existence de "l'éther lumineux", une substance amorphe qui imprègne tout et ne sert que de support à la propagation des ondes lumineuses. Cette idée était soutenue par la notion que toutes les ondes ont besoin d'un milieu pour se propager. Cette hypothèse était l'hypothèse principale.
Les tests expérimentaux basés sur l'interféromètre sur cette hypothèse se sont principalement concentrés sur celle-ci. Les physiciens américains Albert Michelson et Edward Morley, qui ont créé l'interféromètre de Michelson-Morley, faisaient partie des experts internationaux travaillant sur ce problème. Les résultats de leurs tests, publiés en 1887, sont cités comme la première preuve expérimentale concrète contre l'existence de l'éther, que la lumière (en fait tous les rayonnements électromagnétiques) se propage sans milieu, à savoir dans le vide. Cette découverte, l'une des pierres angulaires des théories de la relativité restreinte et plus tard générale d'Einstein, lui a permis de tracer la courbure de l'espace-temps en décrivant les voies du vide par lesquelles la lumière se déplace.
La configuration interférométrique exclusive utilisée par Michelson et Morley était considérée comme un ajustement naturel pour la détection de la déformation des ondes gravitationnelles dans l'espace-temps à la fin des années 1960, près d'un siècle plus tard, étant donné la mesure précise du changement de phase de la lumière se déplaçant le long de deux bras perpendiculaires. . Par conséquent, l'arrangement optique de l'interféromètre de Michelson est un composant essentiel de tous les détecteurs interférométriques d'ondes gravitationnelles actuels, y compris LIGO.
Quel type d'appareil est un interféromètre ?
Les interféromètres sont disponibles dans une variété de tailles et de formats en raison de leur large gamme d'applications. Ils sont utilisés pour tout mesurer, des minuscules changements à la surface d'un organisme à la structure de vastes champs de gaz et de poussière dans des régions éloignées de l'Univers, et sont maintenant utilisés pour trouver des ondes gravitationnelles. Tous les interféromètres ont une chose en commun : quelle que soit leur forme ou leur utilisation, ils superposent des rayons lumineux pour créer un motif d'interférence. À droite, une image d'un interféromètre laser Michelson dans sa configuration de base. Un photodétecteur (point noir), un laser, un séparateur de faisceau, un ensemble de réflecteurs et un photodétecteur sont tous des composants.
Qu'est-ce que le modèle d'interférence en physique ?
Pour comprendre le fonctionnement des interféromètres, il est utile d'avoir une compréhension plus approfondie de "l'interférence". L'interférence est familière à quiconque a jeté une pierre dans un étang ou une piscine plat et vitreux et a observé les résultats. Lorsque des pierres frappent l'océan, des vagues concentriques se créent qui s'éloignent de la source. De plus, ces ondes concentriques entrent en collision là où deux ou plusieurs d'entre elles se croisent. Le résultat de cette interférence peut être une onde ascendante, une onde descendante ou aucune onde du tout. Ce n'est qu'un motif "d'interférence" que l'on peut voir là où les ondes se heurtent.
Les bases de l'enchevêtrement sont faciles à comprendre. Au moins deux vagues convergent. La vague résultante est le motif "d'interférence" créé en ajoutant les hauteurs des vagues en contact. L'interférence constructive totale et l'interférence destructive totale sont deux types d'interférences différents illustrés dans l'image de droite. L'intersection parfaite des crêtes et des creux de deux vagues (ou plus) entraîne une interférence positive totale. Lorsque deux vagues plus petites s'additionnent, la taille de la plus grande vague est égale à la somme des hauteurs (et des profondeurs !) des deux vagues à chaque endroit où elles interagissent physiquement. Une interférence destructive totale se produit lorsque les crêtes de plusieurs vagues coïncident avec les creux d'une seule vague.
Lorsqu'ils se rejoignent, ils s'équilibrent, c'est-à-dire qu'ils se "détruisent".
Dans la nature, les crêtes et les creux d'une vague ne coïncident pas toujours exactement avec ceux de l'autre vague. De manière pratique, la hauteur de l'onde due à l'interférence est toujours égale à la somme des hauteurs des ondes convergentes le long de chaque point avec lequel elles interagissent physiquement, quelle que soit leur synchronisation lorsqu'elles convergent. Par conséquent, des interférences partiellement constructives ou destructives peuvent se produire lorsque les ondes se heurtent légèrement en déphasage.
L'onde noire est produite en ajoutant les hauteurs/profondeurs de chaque onde à chaque emplacement lorsqu'elles se traversent. Une plage de hauteur complète est ressentie, allant de deux fois plus haut/profond (interférence constructive totale) à plat. (interférence destructrice totale). Le motif d'interférence peut être vu dans cet exemple comme une onde sombre. (modèle résultant de l'interférence continue des ondes rouges et bleues). Observez comment cela change lorsque les ondes rouges et bleues interagissent.
Quelles sont les similitudes avec la lumière ?
Heureusement, les ondes lumineuses se comportent exactement comme les ondes de l'eau. Selon la façon dont les ondes lumineuses s'alignent lorsqu'elles se rejoignent, deux faisceaux de lumière laser peuvent également créer un motif d'interférence. Semblable à l'eau, une interférence entièrement destructive se produit lorsque les pics des ondes d'un faisceau rencontrent exactement les creux de l'autre. En conséquence, il n'y a pas de vagues dans l'eau. Il n'y a pas de lumière dans la lumière après tout ! D'autre part, une interférence constructive complète se produit lorsque les sommets des deux rayons coïncident exactement.
Là encore, la hauteur de la vague émergeant dans l'eau est égale à la somme des hauteurs des deux vagues ; dans le cas de la lumière, le résultat est un faisceau de lumière d'intensité égale à la somme des intensités des deux rayons séparés. Si nous utilisons cette comparaison jusqu'à sa conclusion logique, les vagues dans l'eau peuvent interagir les unes avec les autres de diverses manières, provoquant des effets à la fois constructifs et destructeurs. (plus grosse vague, plus petite vague, pas de vague). Le résultat est un spectre complet de luminosité, allant de l'intensité totale du faisceau à la lumière jusqu'à l'obscurité totale.
Pour en revenir aux interféromètres de LIGO, la distance parcourue par les faisceaux avant qu'ils ne fusionnent détermine la qualité de l'alignement des faisceaux lorsqu'ils fusionnent. Les ondes lumineuses des faisceaux s'aligneront exactement et si elles parcourent la même distance, elles provoqueront une interférence destructrice complète. Cependant, si pour une raison quelconque les lasers ne parcourent pas les mêmes distances, les ondes lumineuses ne seront plus en phase lorsqu'elles fusionnent, ce qui entraîne soit aucune lumière n'atteignant le photodétecteur, soit une lumière légèrement plus brillante que le premier faisceau laser. Si les bras s'allongent ou se raccourcissent avec le temps, les rayons subissent diverses interférences selon la façon dont ils se rejoignent à un moment donné, ce qui provoque des vibrations.
Comment l'interféromètre de LIGO réagit-il aux ondes gravitationnelles ?
Sous l'effet des ondes gravitationnelles, l'espace s'étire dans une direction et se contracte simultanément dans la direction opposée. Tant qu'il plaisante, LIGO vit cela comme un bras de l'interféromètre qui s'allonge et l'autre se raccourcit, puis vice versa, d'avant en arrière. Étant donné que les bras changent de longueur simultanément dans des directions opposées ou de manière différentielle, ce mouvement est techniquement appelé mouvement de « levier différentiel » ou déplacement différentiel.
Comme mentionné précédemment, la distance parcourue par chaque faisceau laser varie en fonction de la longueur des bras. Le scénario change au fur et à mesure que les bras alternent entre être plus longs et plus courts; le faisceau d'un bras plus court atteint le séparateur de faisceau avant le faisceau d'un bras plus long. Parce qu'elles arrivent à des moments différents, les ondes lumineuses ne se combinent plus bien dans le séparateur de faisceau. Au lieu de cela, à mesure qu'ils fusionnent, ils se déplacent ou s'alignent en phase et hors phase, provoquant l'oscillation des longueurs d'onde. En termes simples, cela provoque la sortie d'un flash de lumière de l'interféromètre.
Alors que le concept peut sembler presque simple en théorie, en réalité cette vibration n'est pas facile à repérer. L'effet d'une onde gravitationnelle sur la longueur des membres peut être aussi petit que 1/10.000 10 de la largeur d'un proton, ou aussi peu que 19 à XNUMX mètres ! De plus, découvrir un tremblement d'onde gravitationnelle parmi tous les autres tremblements rencontrés par LIGO (causés par des tremblements de terre ou tout ce qui pourrait secouer les miroirs comme la circulation sur les routes locales) est une autre histoire. Le processus de filtrage détaillé utilisé par LIGO pour trouver le "scintillement" lumineux distinctif produit par l'onde gravitationnelle est décrit dans la technologie LIGO.
Source : ligo.caltech.edu/
Günceleme: 31/03/2023 12:36