VELOCE : un nouvel équipement de pointe à Lyon pour la détection des ondes gravitationnelles

Au cours des dernières années, les détections d’ondes gravitationnelles (OG) par les interféromètres laser terrestres ont ouvert une nouvelle voie pour l'étude de l'univers qui a été reconnue par le prix Nobel de physique attribué en 2017. Les deux interféromètres laser LIGO aux États-Unis, en coïncidence avec le détecteur européen VIRGO (à Pise, en Italie), ont détecté des centaines de nouvelles sources candidates de OG, effectuant une détection hebdomadaire systématique au cours de la dernière période de prise de données. Motivée par ces découvertes majeures, une nouvelle génération d'observatoires est déjà en discussion, comme Einstein telescope (ET), ou Cosmic Explorer (CE) aux États-Unis. Ces nouveaux projets repousseront les limites des antennes actuelles pour explorer des aspects inconnus de l'univers et seront capable de détecter des milliers de signaux par semaine. Ces signaux, permettront des avancées spectaculaires dans la physique des astroparticules multi-messagers de demain.

Le Laboratoire des Matériaux Avancés : leader mondial de la conception des miroirs pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles

Le Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA), plateforme rattachée à l’Institut de Physique des 2 Infinis (IP2I ‒ UMR Lyon 1/CNRS/IN2P3) est reconnu internationalement pour la fabrication de miroirs de haute précision, éléments essentiels des grands détecteurs d’ondes gravitationnelles. Cette plateforme est leader mondial dans le domaine des grandes optiques à faibles pertes pour les longueurs d’onde visibles et proche infrarouge, avec des applications allant de l’optique quantique aux grands instruments pour télescopes astronomiques.

Ces miroirs, aux performances inédites, ont été essentiels pour les premières détections d’ondes gravitationnelles. Aujourd’hui, toutes les ondes détectées passent entre deux miroirs réalisés au LMA et tous les miroirs les plus critiques de tous les interféromètres terrestres d’ondes gravitationnelles aux États-Unis, en Italie et au Japon ont été traités et caractérisés dans ce laboratoire. Ces pièces optiques ont, après plus de 10 ans de recherche et développement, repoussé les limites de la technologie. Elles ont été acclamées par la presse et ont reçu le titre de "miroirs parfaits".

Ce savoir-faire exceptionnel, unique au niveau mondial, doit être consolidé pour répondre aux besoins des instruments de 3ᵉ génération (projets Einstein Telescope et Cosmic Explorer), qui exigeront des miroirs encore plus grands et des performances encore jamais atteintes en termes de qualité optique, stabilité et réduction des bruits de fond.

VELOCE : un équipement de pointe pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles de nouvelle génération

Pour relever les défis liés aux miroirs de cette nouvelle génération (plus grands, plus lourds, avec des exigences accrues, et fonctionnant à basse température pour une sensibilité plus élevée), le LMA doit acquérir de nouveaux équipements et l’extension du bâtiment et de sa salle blanche sont également nécessaires.

Financé par le CPER 2021-2027, le projet VELOCE prévoit la construction d’une nouvelle machine de dépôt par faisceau d’ions (IBS) qui sera la plus grande au monde et donnera au LMA la capacité de réaliser des couches optiques ultrafines, homogènes et d’une pureté exceptionnelle pour les grands miroirs de nouvelle génération.

Cet investissement stratégique permettra au LMA de rester ainsi à la pointe de la recherche sur les grandes optiques de demain, en particulier pour les ondes gravitationnelles. Il garantira le positionnement futur de Lyon dans ce domaine, au cœur d’un enjeu scientifique international majeur pour la compréhension de l’Univers, tout en renforçant la visibilité de la France dans le développement des grands éléments optiques indispensables à la prochaine génération de détecteurs d’ondes gravitationnelles (OG). Ces interféromètres géants, véritables « télescopes du futur », ouvrent une nouvelle fenêtre d’exploration de l’univers en permettant d’observer les phénomènes les plus extrêmes : fusion de trous noirs, étoiles à neutrons, ou encore origine du cosmos.

VELOCE va permettre de :

• proposer une offre unique au monde pour réaliser des miroirs de grandes tailles ultra performants pour les futurs interféromètres des détecteurs d’ondes gravitationnelles ;
• pouvoir produire des miroirs de l’ordre du mètre, pesant plusieurs centaines de Kg et uniformes à l’échelle du nanomètre incluant la croissance du substrat en saphir, le polissage mécanique et optique et enfin le traitement de surface par couches minces dont nous sommes les spécialistes uniques au monde.

De telles technologies sont aussi utiles pour nombre d’applications avec des optiques de grandes tailles en astronomie ou dans les lasers de haute puissance.

Cet équipement est déterminant pour :

• sécuriser l’acquisition et l’installation d’équipements dans un contexte de compétitivité internationale ;
• garantir la contribution française aux projets de détection d’ondes gravitationnelles de 3ᵉ génération ;
• renforcer l’attractivité scientifique et technologique du site lyonnais, avec des retombées directes pour la recherche, l’innovation et le rayonnement international de la région ;

En complément, une machine de polissage de haute précision a été acquise pour permettre de proposer à Lyon une chaine complète de fabrication et production intégrée du substrat du miroir, avec son polissage, jusqu’au dépôt final des couches optiques.