VELOCE : un nouvel ¨¦quipement de pointe ¨¤ Lyon pour la d¨¦tection des ondes gravitationnelles

Au cours des derni¨¨res ann¨¦es, les d¨¦tections d¡¯ondes gravitationnelles (OG) par les interf¨¦rom¨¨tres laser terrestres ont ouvert une nouvelle voie pour l'¨¦tude de l'univers qui a ¨¦t¨¦ reconnue par le prix Nobel de physique attribu¨¦ en 2017. Les deux interf¨¦rom¨¨tres laser LIGO aux ?tats-Unis, en co?ncidence avec le d¨¦tecteur europ¨¦en VIRGO (¨¤ Pise, en Italie), ont d¨¦tect¨¦ des centaines de nouvelles sources candidates de OG, effectuant une d¨¦tection hebdomadaire syst¨¦matique au cours de la derni¨¨re p¨¦riode de prise de donn¨¦es. Motiv¨¦e par ces d¨¦couvertes majeures, une nouvelle g¨¦n¨¦ration d'observatoires est d¨¦j¨¤ en discussion, comme Einstein telescope (ET), ou Cosmic Explorer (CE) aux ?tats-Unis. Ces nouveaux projets repousseront les limites des antennes actuelles pour explorer des aspects inconnus de l'univers et seront capable de d¨¦tecter des milliers de signaux par semaine. Ces signaux, permettront des avanc¨¦es spectaculaires dans la physique des astroparticules multi-messagers de demain.

Le Laboratoire des Mat¨¦riaux Avanc¨¦s : leader mondial de la conception des miroirs pour les d¨¦tecteurs d¡¯ondes gravitationnelles

Le Laboratoire des Mat¨¦riaux Avanc¨¦s (LMA), plateforme rattach¨¦e ¨¤ l¡¯Institut de Physique des 2 Infinis (IP2I ? UMR Lyon 1/CNRS/IN2P3) est reconnu internationalement pour la fabrication de miroirs de haute pr¨¦cision, ¨¦l¨¦ments essentiels des grands d¨¦tecteurs d¡¯ondes gravitationnelles. Cette plateforme est leader mondial dans le domaine des grandes optiques ¨¤ faibles pertes pour les longueurs d¡¯onde visibles et proche infrarouge, avec des applications allant de l¡¯optique quantique aux grands instruments pour t¨¦lescopes astronomiques.

Ces miroirs, aux performances in¨¦dites, ont ¨¦t¨¦ essentiels pour les premi¨¨res d¨¦tections d¡¯ondes gravitationnelles. Aujourd¡¯hui, toutes les ondes d¨¦tect¨¦es passent entre deux miroirs r¨¦alis¨¦s au LMA et tous les miroirs les plus critiques de tous les interf¨¦rom¨¨tres terrestres d¡¯ondes gravitationnelles aux ?tats-Unis, en Italie et au Japon ont ¨¦t¨¦ trait¨¦s et caract¨¦ris¨¦s dans ce laboratoire. Ces pi¨¨ces optiques ont, apr¨¨s plus de 10 ans de recherche et d¨¦veloppement, repouss¨¦ les limites de la technologie. Elles ont ¨¦t¨¦ acclam¨¦es par la presse et ont re?u le titre de "miroirs parfaits".

Ce savoir-faire exceptionnel, unique au niveau mondial, doit ¨ºtre consolid¨¦ pour r¨¦pondre aux besoins des instruments de 3? g¨¦n¨¦ration (projets Einstein Telescope et Cosmic Explorer), qui exigeront des miroirs encore plus grands et des performances encore jamais atteintes en termes de qualit¨¦ optique, stabilit¨¦ et r¨¦duction des bruits de fond.

VELOCE : un ¨¦quipement de pointe pour les d¨¦tecteurs d¡¯ondes gravitationnelles de nouvelle g¨¦n¨¦ration

Pour relever les d¨¦fis li¨¦s aux miroirs de cette nouvelle g¨¦n¨¦ration (plus grands, plus lourds, avec des exigences accrues, et fonctionnant ¨¤ basse temp¨¦rature pour une sensibilit¨¦ plus ¨¦lev¨¦e), le LMA doit acqu¨¦rir de nouveaux ¨¦quipements et l¡¯extension du b?timent et de sa salle blanche sont ¨¦galement n¨¦cessaires.

Financ¨¦ par le CPER 2021-2027, le projet VELOCE pr¨¦voit la construction d¡¯une nouvelle machine de d¨¦p?t par faisceau d¡¯ions (IBS) qui sera la plus grande au monde et donnera au LMA la capacit¨¦ de r¨¦aliser des couches optiques ultrafines, homog¨¨nes et d¡¯une puret¨¦ exceptionnelle pour les grands miroirs de nouvelle g¨¦n¨¦ration.

Cet investissement strat¨¦gique permettra au LMA de rester ainsi ¨¤ 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 c?ur d¡¯un enjeu scientifique international majeur pour la compr¨¦hension de l¡¯Univers, tout en renfor?ant la visibilit¨¦ de la France dans le d¨¦veloppement des grands ¨¦l¨¦ments optiques indispensables ¨¤ la prochaine g¨¦n¨¦ration de d¨¦tecteurs d¡¯ondes gravitationnelles (OG). Ces interf¨¦rom¨¨tres g¨¦ants, v¨¦ritables ? t¨¦lescopes du futur ?, ouvrent une nouvelle fen¨ºtre d¡¯exploration de l¡¯univers en permettant d¡¯observer les ph¨¦nom¨¨nes les plus extr¨ºmes : fusion de trous noirs, ¨¦toiles ¨¤ neutrons, ou encore origine du cosmos.

VELOCE va permettre de :

• proposer une offre unique au monde pour r¨¦aliser des miroirs de grandes tailles ultra performants pour les futurs interf¨¦rom¨¨tres des d¨¦tecteurs d¡¯ondes gravitationnelles ;
• pouvoir produire des miroirs de l¡¯ordre du m¨¨tre, pesant plusieurs centaines de Kg et uniformes ¨¤ l¡¯¨¦chelle du nanom¨¨tre incluant la croissance du substrat en saphir, le polissage m¨¦canique et optique et enfin le traitement de surface par couches minces dont nous sommes les sp¨¦cialistes 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 ¨¦quipement est d¨¦terminant pour :

• s¨¦curiser l¡¯acquisition et l¡¯installation d¡¯¨¦quipements dans un contexte de comp¨¦titivit¨¦ internationale ;
• garantir la contribution fran?aise aux projets de d¨¦tection d¡¯ondes gravitationnelles de 3? g¨¦n¨¦ration ;
• renforcer l¡¯attractivit¨¦ scientifique et technologique du site lyonnais, avec des retomb¨¦es directes pour la recherche, l¡¯innovation et le rayonnement international de la r¨¦gion ;

En compl¨¦ment, une machine de polissage de haute pr¨¦cision a ¨¦t¨¦ acquise pour permettre de proposer ¨¤ Lyon une chaine compl¨¨te de fabrication et production int¨¦gr¨¦e du substrat du miroir, avec son polissage, jusqu¡¯au d¨¦p?t final des couches optiques.