Einstein Telescope
projet européen de détecteur d'ondes gravitationnelles
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Einstein Telescope (souvent abrégé ET) est un projet de détecteur d'ondes gravitationnelles terrestre de troisième génération européen. Il prévoit d'atteindre une sensibilité 10 fois plus élevée que les détecteurs actuels, en employant des technologies innovantes comme la cryogénie ou l'emploi d'une infrastructure souterraine[1].
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Le projet est actuellement soutenu par l'Union Européenne durant sa phase préparatoire via le Forum stratégique européen sur les infrastructures de recherche (ESFRI)[2],[3]. Cette phase préparatoire est prévue de se terminer en 2026, avec notamment le choix du site de construction du détecteur. Le début des opérations est envisagé pour l'horizon 2040[1].
Contexte
Prédites par Einstein dès l'établissement de sa théorie de la relativité générale, les ondes gravitationnelles sont longtemps restées élusives. Ces déformations de l'espace-temps se caractérisent par la déformation locale de la notion de longueur ; cependant, les ondes qui existent effectivement dans l'Univers ont une très faible amplitude, engendrant des déformations plus petites qu'un noyau atomique à notre échelle. C'est à partir de la fin des années 1960 que des projets de détecteurs sont apparus, avec par exemple les barres de Weber[4] (qui ne permettront cependant jamais de réaliser une détection confirmée)[5]. Dans les années 1980, un nouveau type de détecteur basé sur un interféromètre de grande taille (typiquement de l'ordre de plusieurs kilomètres) est envisagé. C'est la naissance des projets LIGO (américain) et Virgo (européen). Leur construction s'achève au début des années 2000. Malgré qu'ils aient atteint la sensibilité espérée, aucune détection n'est réalisée durant cette première génération de détecteurs ; ce n'est qu'en 2015, après une série d'amélioration en un détecteur de « deuxième génération », que les deux détecteurs LIGO réalisent la première détection directe d'ondes gravitationnelles. Virgo rejoint les observations et réalise sa première détection en 2017[6]. Aujourd'hui, plusieurs centaines d'observations ont été réalisées par les trois détecteurs, qui devraient être rejoints par le détecteur japonais KAGRA dans un futur proche. Ces détections ont apporté de nombreuses informations sur les trous noirs et étoiles à neutrons, ainsi que sur la nature et les propriétés de la gravité.
Une troisième génération de détecteurs est déjà à l'étude avant même la première détection. En 2010, le projet Einstein Telescope est formalisé (avec des publications de projet dès 2007[7]). La troisième génération se définit notamment par l'utilisation de technologies de rupture, incluant des miroirs cryogéniques pour réduire le bruit thermique, un détecteur souterrain pour réduire l'impact des ondes sismiques et des bras significativement plus loin (10 km dans le cas d'Einstein Telescope). Ces améliorations ont pour but d'augmenter fortement la sensibilité en réduisant fortement les sources de bruit limitant les détecteurs de première et deuxième génération. Le détecteur est envasigé pour permettre un grand nombre de détections, avec un rapport signal sur bruit suffisant pour permettre des analyses précises du signal et ouvrir la voie à un grand nombre de découvertes[8].
En parallèle au développement de Einstein Telescope, d'autres détecteurs sont en cours d'étude ou de déploiement. Le détecteur japonais KAGRA, souvent qualifié de « génération 2.5 », présente des similarités avec Einstein Telescope, étant souterrain et ayant des miroirs cryogéniques. Aux États-Unis, le détecteur de troisième génération Cosmic Explorer est à l'étude, avec un calendrier similaire à celui d'Einstein Telescope.
Objectifs scientifiques
Cosmologie
Einstein Telescope pourrait contribuer à la résolution de plusieurs problèmes ouverts de la cosmologie actuelle. Ces contributions se divisent en deux volets [9]:
- l'Univers jeune, avec une possible observation d'un fond stochastique d'ondes gravitationnelles d'origine cosmologique, qui pourrait par exemple émaner du phénomène d'inflation ou de cordes cosmiques.
- l'Univers tardif, avec la mesure de la constante de Hubble et de la vitesse de la gravité, en utilisant notamment des observations multimessager.
Populations
La sensibilité prévue de Einstein Telescope devrait lui permettre de détecter un grand nombre de coalescences de binaires compactes (CBC), c'est à dire la fusion d'un système binaire de deux trous noirs ou étoiles à neutrons. On estime actuellement qu'il pourrait réaliser de l'ordre de 100 000 détections par an. Cela permettrait de contraindre les taux de tels évènements et identifier les canaux de formation de ces systèmes, ainsi que de mesurer leur variation en fonction de l'âge de l'Univers. Des types de CBC moins connus, comme les fusions de trous noirs intermédiaires ou de trous noirs primordiaux, pourraient également être observés[9].
Le détecteur pourrait également permettre l'observation d'autres types de sources. Cela inclut en particulier les supernovas à effondrement de cœur, que Einstein Telescope pourrait détecter dans le Groupe local (au lieu de simplement notre galaxie pour les détecteurs actuels). Il pourrait également observer des ondes émises par des étoiles à neutrons isolées, soit sous la forme d'ondes continues dûes à une légère déformation de l'étoile (comme des « montagnes » mesurant quelques micromètres), soit des transients (« pulsar glitch » ou éruptions de magnétars)[9].
Physique fondamentale
L'observation d'évènements avec un très haut rapport signal sur bruit permettrait de réaliser des tests poussés de la relativité générale, en comparant les modèles aux observations ou en sondant diverses propriétés du signal : polarisations, dispersion, masse du graviton[9]...
Elle permettrait également de mesurer les propriétés des trous noirs et des étoiles à neutrons, comme le théorème de calvitie ou la déformabilité par effet de marée[9].
Enfin, les ondes émises par des nouveaux types de particules pourraient être détectées ; cela inclut en particulier des candidats pour la matière noire[9].
Organisation
Depuis 2022, le projet est géré par la collaboration Einstein Telescope[1]. Celle-ci rassemble tous les acteurs du projet, divisés en unités de recherche (correspondant aux laboratoires/universités participant au projet) ; en , elle comptait 97 unités de recherche rassemblant plus de 2 000 chercheurs dans 34 pays. Depuis le , Michele Maggiore occupe le rôle de porte-parole de la collaboration, avec Angélique Lartaux comme porte-parole adjoint[10].
Participants
Einstein Telescope a été proposé par huit principaux instituts européens de recherche expérimentale sur les ondes gravitationnelles, coordonnés par l'Observatoire européen de la gravitation :
l'Observatoire Gravitationnel Européen ;
l'Institut national de physique nucléaire ;
la Société Max-Planck pour le développement des sciences, via l'Institut Max-Planck de physique gravitationnelle ;
le Centre national de la recherche scientifique ;
l'université de Birmingham ;- l'université de Glasgow ;
le Nikhef ;- l'université de Cardiff.
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Conception
Einstein Telescope étant encore en phase de conception, son design n'est pas encore complètement établi. Dans sa configuration historique, Einstein Telescope possède des bras de 10 km de long, formant un triangle équilatéral ; il contient ainsi trois interféromètres (un par paire de bras). Cette configuration a par la suite connu une évolution importante, dite « xylophone », qui consiste à dédoubler chacun des interféromètres en un interféromètre optimisé pour la basse fréquence (avec des miroirs cryogéniques) et un pour la haute fréquence (avec une puissance laser élevée et des miroirs normaux). Une configuration alternative est également considérée, avec deux interféromètres sur des sites séparés (« 2L ») ; les bras seraient plus longs dans cette configuration, pouvant atteindre 15 ou 20 km[11].
Les interféromètres basse fréquence (1 à 25 Hz) utiliseront des optiques refroidies à 10 K et un faisceau d'une puissance d'environ 18 kW dans chaque cavité de bras[12]. Les hautes fréquences (10 Hz à 10 kHz) utiliseront une optique à température ambiante et une puissance de faisceau recirculée[Quoi ?] beaucoup plus élevée atteignant 3 MW[12].
Site
En avril 2026, le choix du futur site de Einstein Telescope n'a pas été annoncé. Trois sites sont en compétition [1],[13]:
- l'Euregio Meuse-Rhin, à l'intersection entre la Belgique, l'Allemagne et les Pays-Bas[14].
- la Sardaigne, qui s'appuierait sur la mine désaffectée de Sos Enattos, située sur la commune de Lula[15].
- la Saxe, avec une proposition en Lusace officialisée en octobre 2025[16].
Le choix du lieu, qui doit être réalisé entre 2026 et 2027, est conditionné par de nombreux paramètres, incluant la stabilité sismique, l'hydrologie... Il dépend également du choix final de la géométrie du détecteur[13].
Prototype
Le projet est actuellement dans une phase préparatoire financée par la Commission européenne qui doit durer de 2022 à 2025.
Un prototype, ou installation d'essai, appelé ET Pathfinder, est en cours de construction à l'Université de Maastricht aux Pays-Bas[17].
