Une équipe dirigée par le Département d’astronomie de l’Université normale de Pékin a récemment proposé un plan prometteur pour détecter les ondes gravitationnelles (GW) en plaçant des sismomètres à la surface de la Lune. Leurs recherches sont publié dans la revue Science Chine Physique, Mécanique et Astronomie.
En utilisant la lune comme masse résonante de type barre de Weber, l’expérience capitalise sur la détection d’ondes gravitationnelles déci-Hertz. Les chercheurs prévoient de construire un ensemble de petits sismomètres interférométriques laser à la surface de la Lune. La fréquence de résonance naturelle de la Lune, comprise entre 0,1 et 1 Hz, offre le potentiel de détecter des ondes gravitationnelles résultant d’événements astrophysiques importants tels que des fusions de trous noirs de masse intermédiaire (IMBH) et des collisions d’étoiles à neutrons.
L’installation de sismomètres permettrait d’observer les changements de forme et de position de la lune provoqués par le passage de GW déci-Hertz. Cette gamme de fréquences comble le vide du spectre GW couvert par les détecteurs existants, tels que les détecteurs au sol (LIGO et al.) et les antennes spatiales en cours (LISA et autres), qui présentent une sensibilité maximale à plusieurs Hertz et milli-Hertz ( 10−3 Hz), respectivement.
La conception et la stratégie de déploiement de l’expérience ont été décrites. Pour surveiller les mouvements de translation et de rotation de la Lune, l’équipe prévoit d’utiliser des sismomètres capables de détecter six degrés de liberté (DOF). Tous les DOF mécaniques sont faiblement couplés de manière croisée. De plus, un système de capteurs à deux étages est proposé pour surveiller la Lune.
Pour le déplacement sismique lunaire, des capteurs interférométriques seraient utilisés et pour les déplacements à basse fréquence et à courant continu élevé tels que les tremblements de lune, le capteur optique et l’actionneur électromagnétique de Birmingham (BOSEM) seraient utilisés. La conception matérielle pourrait vraisemblablement atteindre une sensibilité de 10 à 11 m par racine carrée de Hertz. Autrement dit, pour un signal d’une fréquence de 1 Hz, la conception proposée peut détecter que la vibration minimale de la géologie lunaire est de 10 à 11 m.
L’emplacement du réseau est également soigneusement étudié. En raison de l’absence d’atmosphère, la Lune subit d’importantes variations de température entre le jour et la nuit. Quatre points froids satisfont à des conditions stables et à basse température. Cependant, le choix du site dépend de la future mission lunaire pour fournir des informations plus précises.
Des redondances sont intégrées à la proposition pour relever les défis de la mission. Par exemple, chaque sismomètre dispose de six photodétecteurs, mais seulement quatre sont nécessaires pour mesurer la topographie locale. Le modèle de déploiement des cinq sismomètres est également soigneusement conçu pour capturer les déformations locales de la surface lunaire et est capable de s’extrapoler à des déformations plus importantes dans les régions environnantes. Pour le scénario le plus extrême, seuls deux sismomètres très éloignés peuvent prétendre à la détection.
Toutefois, des défis nous attendent. Un bruit sismique thermique de fond écrasant n’est pas évitable. De plus, l’acquisition, le stockage et le traitement des données sont difficiles. Une liaison de communication fiable et à large bande passante entre les sismomètres et la Terre serait essentielle. Malgré ces exigences, des progrès en cours et des solutions futures devraient permettre de résoudre ces difficultés.
Dans l’ensemble, la proposition de construire un réseau de sismomètres interférométriques sur la Lune pour détecter les ondes gravitationnelles (GW) déci-Hertz a le potentiel de contribuer à la recherche en physique des GW et de faciliter l’exploration de phénomènes tels que les IMBH. Basé sur l’environnement et les caractéristiques uniques de la Lune, cela pourrait faire progresser notre compréhension de l’univers et élargir le domaine de l’astronomie GW.
Plus d’information:
Junlang Li et al, Détection des ondes gravitationnelles avec un réseau de sismomètres interférométriques sur la face visible de la Lune, Science Chine Physique, Mécanique et Astronomie (2023). DOI : 10.1007/s11433-023-2179-9