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Les miroirs les plus parfaits du monde

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Images chez un antiquaire

Miroir, miroir. Ô, mon beau miroir. Dis-moi : qui est le plus beau, le plus parfait, le plus réfléchissant des miroirs ?

Si cet objet savait parler, il répondrait, sans hésiter que les meilleurs miroirs se trouvent au Laboratoire des Matériaux Avancées, dans la banlieue de Lyon.

ITV Christophe Michel
Donc traditionnellement, on dit que nos miroirs sont plus plus parfaits qui existent au monde, d’une part parce que le verre qu’on utilise est le verre le plus pur qui existe, donc qui comporte le minimum de défauts à l’intérieur…

Et d’autre part, ces miroirs réfléchissent la quasi-totalité de la lumière incidente grâce à un dépôt de matière à la surface que seul ce laboratoire est capable de faire…

ITV Christophe Michel
Nous allons déposer 0,007 mm d’épaisseur, sur la surface, et avec ces 0,007 mm, communément appelé des microns, on va passer de 4% de réflexion, à 99,999%. Ce processus de dépôt dure environ jusqu’à 40 heures.

Cette propriété ultra-réfléchissante n’est certes, pas flagrante sur ces images. Car ici nous parlons de rayons infra-rouges, une lumière qui n’est pas visible pour nous les humains. Mais cette lumière infra-rouge, et les miroirs ultra-réfléchissant fabriqués ici, sont les composants clés des grands  détecteurs d’ondes gravitationnelles comme LIGO, aux Etats-Unis et Virgo, en Italie.

Ces machines démesurées, avec des bras de 3 à 4 kilomètres de long, mesurent les tremblements de l’Univers - ces fameuses ondes dans l’espace-temps produites par la collision de deux trous noirs ou autres cataclysmes cosmiques…
Mais le signal qui arrive sur Terre est incroyablement faible.
Pour mesurer ces perturbations de l’espace-temps, les détecteurs Ligo et Virgo utilisent la technique de l’interférométrie.

Un laser, émis par une source, est divisé en deux par un miroir spécial. Le faisceau va voyager le long des deux bras avant d’être réfléchis et recombinés. Les ondes lumineuses, dites en opposition de phase s’annulent.

Au passage d’une onde gravitationnelle, les longueurs des bras varient, ce qui change l’interférence du laser. Le signal est alors détectable.

Le laser doit être extrêmement stable - et les miroirs aussi parfaits que possible.

Les scientifiques doivent donc s’appuyer sur les technologies les plus avancées du monde.

La masse du miroir - le substrat de verre d’une pureté exceptionnelle - voit le jour, après plusieurs mois de fabrication, en Allemagne.
Le bloc de verre part alors vers la Californie, où il subit le polissage le plus fin possible.
Une fois poli, il retraverse l’océan atlantique pour se retrouver à Lyon - ici au LMA - pour le traitement de surface qui va enfin en faire un miroir digne de ce nom.

Ce traitement de surface doit être fait dans la plus grande machine de dépôt de ce genre - elle a été développée ici au sein même du laboratoire.

ITV Christophe Michel
Alors cette machine c’est une machine de pulvérisation par faisceau d’ions, qui permet de réaliser des optiques avec très peu de défauts

Tous les détecteurs d’ondes gravitationnelles qui existent dans le monde, que ce soit aux Etats-Unis, au Japon ou celui en Italie, tous les miroirs principaux et critiques ont été réalisés au sein de cette machine.  

Donc au début du projet Virgo, les machines permettant de traiter des optiques avaient des capacités de traitement d’optiques jusqu’à 10 cm de diamètre et donc nous avons été obligé de développer cet outil phénoménal qui permettait de traiter jusqu’à 10 fois plus grand en taille, donc jusqu’à un mètre de diamètre.

Et donc c’est à notre connaissance, la plus grande machine de dépôt par pulvérisation ionique dans le monde. Les machines traditionnelles font un mètre cube à l’intérieur, cette machine fait dix mètres cube

Le miroir nécessite jusqu’à deux ans de travail, en tout, avant d’intégrer un détecteur d’ondes gravitationnelles. Et chaque étape doit être réalisée dans des conditions très contrôlée de température, d’hygrométrie, de propreté. Mais comment être sûr que le procédé a bien fonctionné ? qu’il n’y a pas eu d’erreur ?
Pour des composants d’une telle finesse comme ces optiques, chaque manipulation, chaque intervention sur le miroir doit être rigoureusement contrôlée avant de passer à l’étape suivante.

ITV Laurent Pinard
Donc ce système il permet de mesurer la planéité des composants une fois qu’on a réalisé le traitement de couche mince. Notre but c’est de réaliser des dépôts qui ont des défauts de planéité de quelques angstroms, c’est à dire quelques atomes, ce qui est très très faible.

Donc l’échelle fausse un peu les choses, elle accentue les défauts, mais si on regarde l’écart qu’il y a entre le trou au centre qui est bleu et disons la partie haute qui est en rouge sur la périphérie, on peut voir sur l’écran qu’il y a 2 nanomètres - donc 2x10-9 mètres, sachant qu’un nanomètre, c’est 10 atomes, c’est une hauteur de 10 atomes donc on est vraiment pas loin de quelque chose qui est parfait.

Ces performances qui frôlent la perfection ont été récompensés en 2016 après la première détection directe - et tant attendue - des ondes gravitationnelles prédites par Einstein il y a cent ans.

On voit aboutir tous les efforts qu’on a fait pendant, pour certains, pendant 20 ans voire plus, pour d’autres, plus jeunes, depuis dix ans, donc c’est vrai que ça a eu un retentissement mondial donc c’est une fierté personnelle je pense pour tout le monde d’être de l’aventure, et puis c’est motivant pour continuer et essayer de progresser parce qu’on se dit que ‘maintenant ces ondes elles existent bien, on a encore un bel avenir devant nous et il y a encore de belles choses à faire au sein du laboratoire donc c’est très réjouissant pour l’ensemble du laboratoire et très motivant je pense…

Une fois le travail terminé ici, le précieux miroir est délicatement empaqueté. Il peut alors être envoyé vers ces grands détecteurs qui observent l’Univers … et participer à de nouvelles aventures gravitationnelles…
 

Les miroirs les plus parfaits du monde

27.01.2017
Les miroirs les plus réfléchissants du monde, qui renvoient 99,9999 % de la lumière incidente, sortent d’un laboratoire français. Dans ce film diffusé en partenariat avec LeMonde.fr, découvrez les secrets de fabrication de ces composants clés des détecteurs d’ondes gravitationnelles.
À propos de cette vidéo
Titre original :
Les miroirs les plus parfaits du monde
Année de production :
2017
Durée :
6 min 10
Réalisateur :
Nicolas Baker
Producteur :
CNRS Images
Intervenant(s) :
Christophe Michel
Laurent Pinard
Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA)
CNRS / IN2P3 / LIGO - VIRGO / EGO / Université Lyon 1

 
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Commentaires

5 commentaires

Très intéressant. Dommage en effet qu'il y ait un problème à la seconde 49 sur le navigateur Chrome. Sur Opéra, problème de lecture aussi, avec dégradation de l'image pendant quelques secondes, mais qui passe : semble être une question de chargement et non pas de fichier. Problème qui doit causer de nombreux abandons de lecture : dommage de réaliser des médiations scientifiques réussies et coûteuses pour se heurter à un problème de lecture, non ?

Je confirme qu'il y a bien un souci avec cette vidéo. Selon que je cherche à la lire en ligne ou bien lance le fichier préalablement téléchargé elle finit par se bloquer (à un temps qui n'est pas le même dans les deux cas). C'est par ailleurs une opération que j'effectue très couramment, donc je ne suis pas enclin à incriminer mon matériel ou logiciel.
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