05/05/2022

L’Euregio Meuse-Rhin se prépare au Télescope Einstein

L’Union Européenne, au travers de son programme Interreg V-A EMR, a soutenu et finance le projet Interreg V-A EMR E-TEST, coordonné par des scientifiques de l’Université de Liège. Doté de 15 millions d’euros, ce projet vise à permettre au consortium de partenaires impliqués dans le grand projet du Télescope Einstein, L’Union Européenne, au travers de son programme Interreg V-A EMR, a soutenu et finance le projet Interreg V-A EMR E-TEST, coordonné par des scientifiques de l’Université de Liège. Doté de 15 millions d’euros, ce projet vise à permettre au consortium de partenaires impliqués dans le grand projet du Télescope Einstein, d’effectuer des premières études sur les sous-sols de l’endroit pressenti pour l’installation du télescope, dans la région des Trois Frontières au sein de l'Euregio Meuse-Rhin, ainsi que la construction d’un prototype – jamais réalisé à ce jour – de grand miroir suspendu à température cryogénique de 20-25 Kelvin.

Le consortium d’E-TEST est composé de onze partenaires : ULiège, Fraunhofer ILT, RWTH Aachen University, Universiteit Hasselt, KU Leuven, Nikhef, UniBonn, NMWP, KNMI, Maastricht Universiteit, UCLouvain.

La Conférence Wallonne Einstein Telescope s’est tenue le vendredi 18 mars 2022 au LIEGE science park en présence des personnalités ministérielles et politiques, des industriels, des chercheurs et de tous les acteurs wallons impliqués dans ce projet tels que les pôles de compétitivité et les agences de développement économique.

Le projet E-TEST est l’un des trois grands projets préparatoires au Télescope Einstein soutenus par les fonds Interreg. Le deuxième projet est ETpathfinder, un laboratoire de R&D pour inventer et développer de nouvelles technologies d’observation des ondes gravitationnelles. Le troisième projet, ET2SMEs, stimule la coopération transfrontalière axée sur l’innovation entre les entreprises. Les trois projets représentent à eux seuls 32 millions des 67 millions d’euros alloués à des projets de R&D préparatoires au télescope Einstein.

Le projet E-TEST est réalisé dans le cadre du Programme Interreg V-A Euregio Meuse-Rhin, avec 7,5 millions d'euros provenant du Fonds européen de développement régional (FEDER). L’autre moitié du financement provient de la Wallonie, la région flamande, la province du Limbourg belge, la province du Brabant flamand, la Rhénanie-du-Nord-Westphalie, la province du Limbourg néerlandais et le ministère néerlandais de l'économie, ainsi que des fonds propres des partenaires du projet.

Télescope Einstein : le projet le plus ambitieux d’observatoire d’ondes gravitationnelles sur Terre

Le projet du Télescope Einstein est un nouveau projet européen de grande infrastructure scientifique. Il a pour objectif de créer le plus grand observatoire mondial en matière de détection d'ondes gravitationnelles (d’infimes soubresauts de l’espace-temps) afin de tenter de mieux comprendre la théorie du big bang. L’équipement consistera en trois interféromètres géants, longs de 10 km, disposés en triangle et enfouis entre 200 et 300 mètres de profondeur. Plusieurs sites d’implantation sont actuellement envisagés en Europe, dont l’Euregio Meuse-Rhin à la frontière entre la Belgique, les Pays-Bas et l’Allemagne. Une décision sur la localisation du télescope Einstein serait prise en 2025, et l’infrastructure devrait voir le jour dans les années 2030.

Le début de l’ère de l’astronomie gravitationnelle

La proposition d’inclure le Télescope Einstein, projet novateur d’observatoire d’ondes gravitationnelles de troisième génération, à la feuille de route du Forum stratégique européen pour les grandes infrastructures de recherche (European Strategic Forum for Research Infrastructures, ESFRI), a été soumise en septembre 2020. La feuille de route ESFRI décrit les projets majeurs de futures infrastructures de recherche en Europe. Le Télescope Einstein (ET, pour Einstein Telescope) est le projet le plus ambitieux d’observatoire d’ondes gravitationnelles sur Terre.

En date du 30 juin 2021, l'ESFRI a décidé d'inclure le Einstein Telescope dans la mise à jour 2021 de sa feuille de route, confirmant la pertinence de ce projet majeur pour l'avenir des infrastructures de recherche dans l'Union Européenne.

L’incroyable réussite scientifique des collaborations Advanced Virgo (en Europe) et Advanced LIGO (aux États-Unis) ces cinq dernières années marque le début de l’ère de l’astronomie gravitationnelle. L’aventure a commencé avec la première détection directe d’ondes gravitationnelles en septembre 2015, et s’est poursuivie en août 2017 lorsque Advanced Virgo et Advanced LIGO ont observé les ondes gravitationnelles émises par la fusion d’étoiles à neutrons. Simultanément, des signaux de cette fusion ont été observés par plusieurs télescopes traditionnels (sur Terre et dans l’espace), sur l’entièreté du spectre électromagnétique, allant des ondes radio aux rayons gamma. Cette observation a marqué l’avènement de l’astronomie multi-messagers.

La détection récente par Advanced Virgo et Advanced LIGO de la fusion de deux trous noirs en un trou noir 142 fois plus massif que le Soleil (dans la classe des trous noirs de masse intermédiaire) a démontré l’existence de tels objets dans l’Univers.

Afin d’exploiter pleinement le potentiel de cette discipline scientifique naissante, qui a fait l’objet du Prix Nobel 2017 de Physique, une nouvelle génération d’observatoires est attendue. ET devrait permettre aux scientifiques de détecter les fusions de trous noirs intermédiaires sur l’ensemble de l’histoire de l’Univers, et d’ainsi mieux comprendre son évolution. Ses observations lèveront le voile sur l’Univers sombre et devraient permettre de mieux comprendre le rôle de l’énergie sombre et de la matière noire dans l’évolution des grandes structures du cosmos.

ET explorera la physique des trous noirs avec une précision inégalée. Ces corps célestes extrêmes, prédits par la théorie de la Relativité Générale d’Albert Einstein, sont les candidats idéaux pour tester les failles possibles de la théorie, grâce à leur champ gravitationnel extrême. ET devrait aussi détecter des milliers de fusions d’étoiles à neutrons chaque année, améliorant ainsi notre compréhension du comportement de la matière dans des conditions extrêmes de densité et de pression, qui ne peuvent être reproduites en laboratoire. Ce sera également une chance d’explorer la physique nucléaire qui contrôle l’explosion des étoiles en supernovae.

Un projet fédérateur pour les scientifiques européens

Ces objectifs scientifiques ambitieux nécessitent un observatoire capable de détecter des ondes gravitationnelles avec une sensibilité au moins dix fois supérieure à celle des détecteurs actuels (dits de seconde génération). ET prendra place dans une nouvelle infrastructure et nécessitera le développement de technologies beaucoup plus avancées que celles à disposition aujourd’hui. La phase de conception d’ET a été financée par un financement de la Commission Européenne. En septembre 2020, un consortium d’universités et instituts de recherche en Europe, associés au soutien politique de cinq pays européens, la Belgique, les Pays-Bas, l’Espagne, la Pologne et l’Italie, cette dernière étant le « lead country », a soumis officiellement la proposition de construire une telle infrastructure sur le sol européen.

En Belgique, l’ensemble des universités, le F.R.S.-FNRS et le FWO soutiennent le projet de Télescope Einstein. Sept d’entre elles (UCLouvain, ULB, ULiège, KULeuven, UAntwerpen, UGent et VUB) sont déjà membres de la collaboration Advanced Virgo. Avec l’UHasselt et d’autres partenaires aux Pays-Bas et en Allemagne, elles s’investissent également dans la construction du prototype ETpathfinder à l’Université de Maastricht, et dans les technologies de contrôle de bruit et l’étude géologique du site à la frontière entre la Belgique, les Pays-Bas et l’Allemagne, avec le projet E-TEST. Plus généralement, la Belgique voit depuis 2015 se construire une communauté forte de scientifiques impliqués dans le domaine des ondes gravitationnelles, tant du point de vue théorique qu’instrumental, ou encore en lien avec l’analyse des données.

L’Observatoire Gravitationnel Européen (European Gravitational Observatory, EGO) en Italie hébergera le siège temporaire d’ET. Le consortium rassemble 40 universités et instituts de plusieurs pays européens, comprenant, en plus des cinq pays mentionnés ci-dessus, la France, l’Allemagne, la Hongrie, la Norvège, la Suisse et le Royaume-Uni. Un projet similaire, le Cosmic Explorer, pourrait également voir le jour aux États-Unis.

À l’heure actuelle, deux sites possibles pour la construction d’ET sont en cours d’évaluation : l’Euregio Meuse-Rhin, à la frontière entre la Belgique, les Pays-Bas et l’Allemagne, ainsi que la Sardaigne en Italie. L’étude de ces sites est en cours et la décision de la localisation d’ET serait prise en 2025 suite au dépôt de la soumission finale (BidBook) en 2014 par les deux sites.

Les ondes gravitationnelles, nouvelle fenêtre sur l’univers

Prédites par Albert Einstein il y a un siècle, elles ont été observées pour la première fois le 14 septembre 2015 : finalement, la preuve de leur existence était là. L’enthousiasme des physiciens et des astronomes du monde entier était à son comble — ils savaient qu’ils disposaient désormais d’un nouvel outil pour étudier l’Univers. L’observation des ondes gravitationnelles mènera à de nouvelles découvertes, par exemple sur la genèse des trous noirs et sur les débuts de l’Univers, juste après le big bang. Une nouvelle ère a commencé en physique et en astronomie.

Après une collision d’étoiles, l’espace-temps vibre

Lors d’événements extrêmes dans les régions les plus terribles de l’univers, une vibration traverse le tissu de l’espace-temps : c’est la toile élastique sur laquelle se révèlent tous les événements de l’Univers. Lors du passage d’une onde gravitationnelle, les distances entre les objets diminuent puis augmentent puis diminuent à nouveau et ainsi de suite. Ce changement n’est pas perceptible à l’échelle humaine, mais bien grâce aux équipements les plus sensibles au monde.

L’onde gravitationnelle du 14 septembre 2015 a commencé par une collision entre deux trous noirs, à 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre. Sur Terre, le signal invisible pour les télescopes normaux s’est révélé indubitable pour le détecteur d’ondes gravitationnelles LIGO. En 2017, trois chercheurs des installations collaboratives LIGO et Virgo ont reçu le prix Nobel pour leurs contributions au détecteur LIGO et à la détection des ondes gravitationnelles.

La première onde gravitationnelle a été le début d’un nouveau domaine de recherche en physique et en astronomie. En plus de la lumière et des particules, les scientifiques peuvent maintenant aussi détecter les ondulations de l’espace-temps. Ces signaux ne peuvent être déviés ou bloqués par la matière. La collision de deux trous noirs ne dégage pas de lumière, mais leurs ondes gravitationnelles sont toujours mesurables, et nous ont déjà apporté de nouvelles informations sur la nature des étoiles à neutrons et des trous noirs.

Projet Interreg E-TEST

Il y a deux raisons principales pour lesquelles le télescope Einstein sera beaucoup plus précis que les détecteurs d’ondes gravitationnelles existants. Tout d’abord, il sera situé à 250 mètres sous terre afin de réduire les perturbations indésirables. Deuxièmement, le télescope Einstein sera constitué de technologies nouvelles et innovantes. Le projet Interreg E-TEST couvre ces deux aspects. Il bénéficie d’un budget de 15 millions d’euros.

E-TEST est constitué de deux sous-projets :

• Le premier sous-projet consiste en une étude approfondie des sous-sols, via des capteurs et senseurs enfouis à 300 mètres de profondeur, permettant de cartographier et modéliser les sous-sols de la région afin de s’assurer de leur stabilité. Cette étude permettra de consolider l'emplacement du télescope Einstein, et d’optimiser sa conception dans la région.

Des études antérieures montrent que le sous-sol de l’Euregio Meuse-Rhin semble suffisamment «calme» pour le Télescope Einstein. Cependant, il s’agit de mieux comprendre d’autres facteurs et sur une plus grande surface. C’est pourquoi les chercheurs travaillent sur un système de surveillance souterrain et un modèle. Cela permettra d’améliorer les connaissances sur les niveaux des eaux souterraines et les sources qui peuvent causer des perturbations, comme le bruit sismique, atmosphérique et anthropique. L’étude devrait permettre de définir l’emplacement optimal du télescope Einstein dans la région. Cela nécessite un triangle équilatéral avec des côtés de 10 km à une profondeur de 200 à 300 mètres. Les facteurs importants sont le type de sous-sol, la stabilité de la roche et les fluctuations des eaux souterraines. Les scientifiques tiendront également compte de l’impact sur l’environnement, qui doit être aussi faible que possible.

• Le second sous-projet consiste dans le développement d’un prototype de grand miroir suspendu à température cryogénique de 20-25 Kelvin, un prototype encore jamais réalisé à ce jour. La mise en place de ce prototype permettra de valider la technologie qui pourra améliorer grandement la sensibilité du télescope Einstein aux ondes gravitationnelles de basses fréquences, générées par la fusion de trous noirs très massifs. Le prototype sera développé au Centre Spatial de Liège (CSL).

Dans le cadre du projet E-TEST, des partenaires de la recherche et de l’industrie développent de nouvelles technologies. Ils se concentrent sur l’optique, la cryogénie à faibles vibrations et l’isolation sismique. L’un des principaux résultats du projet sera un miroir en silicium grandeur nature pour le Télescope Einstein. Les miroirs en silicium refroidis constituent une innovation par rapport aux détecteurs d’ondes gravitationnelles existants. Ils sont moins sensibles au bruit et la précision du détecteur sera donc améliorée. L’installation est complémentaire aux recherches qui seront menées avec le laboratoire R&D ETpathfinder à Maastricht.

La principale différence est que l’ETpathfinder construit un interféromètre complet qui peut tester l’interaction entre différents sous-systèmes, à basse température (120 Kelvin), tandis que le projet E-TEST se concentre sur des concepts spécifiques innovants en particulier sur le prototype de miroir suspendu en condition cryogénique (20-25 Kelvin).

Projet Interreg ET2SMEs

Le Télescope Einstein concerne aussi directement les PME/entreprises technologiques eurégionales, et leur offre une opportunité remarquable de mettre leur savoir-faire en valeur. En mars 2021, la nouvelle initiative eurégionale ET2SMEs d’un budget de 2,3 millions d’euros, a été lancée sous la direction d'AGIT, l'agence de développement économique de la région d'Aix-la-Chapelle en Allemagne, et de six partenaires eurégionaux, soutenus par le programme INTERREG VA Euregio Meuse-Rhin. Son objectif est de rapprocher le Télescope Einstein des PME/entreprises de la région en particulier, et de les faire participer directement en termes de développement technologique et d'exploitation économique. La préoccupation la plus importante est de stimuler la coopération transfrontalière axée sur l'innovation entre les entreprises à vocation technologique et de produire des innovations ciblées qui soient significatives non seulement pour le télescope Einstein, mais aussi pour d'autres applications et marchés exigeants.

Mais comment les entreprises de haute technologie, les start-ups ou les industries de l'aménagement du territoire et de la construction peuvent-elles tirer profit d'un projet qui ne sera pas opérationnel avant les années 2030 ?

Dans toutes les phases, de la planification à la construction jusqu'à l'exploitation régulière de l'installation, les entreprises de la région frontalière pourront se porter directement candidates aux appels d'offres et donc aux nombreux contrats impliquant le Télescope Einstein. Cependant, l'initiative d’ET2SMEs va beaucoup plus loin : Il fournit des vouchers d'innovation d'une valeur de 25 000 à 50 000 euros pour des projets transfrontaliers de R&D de haute qualité portant sur des technologies pertinentes pour l'ET, lancés par au moins deux entreprises, dont une PME.

Ce n'est pas tout : les entreprises intéressées recevront également une aide directe pour étendre leur réseau commercial aux pays voisins, notamment pour trouver la PME/entreprise partenaire adéquate. Elles auront également la possibilité de présenter leur savoir-faire et leurs compétences particulières dans un mapping industriel en ligne.

Les technologies d'exploitation du Télescope Einstein qui présentent un intérêt particulier sont les suivantes : cryogénie, vide, mécanique/mécatronique de précision, capteurs, optique et métrologie optique, revêtement des miroirs, lasers et algorithmes de contrôle avancés.

Toutefois, de nombreuses autres compétences technologiques en géologie, en technologie des tunnels, en imagerie géophysique et en télédétection, en simulation et modélisation, ainsi qu'en technologies de l'eau sont également nécessaires pour l'exploration souterraine et la construction de l'installation, pour n'en citer que quelques-unes.

Enfin, les entreprises ont la possibilité de participer à un Advisory Board Industriel ET, organisé conjointement par E-TEST, ETpathfinder et ET2SMEs, entre les entreprises et la recherche, en tant que partenaire de dialogue et conseiller.

Trois partenaires wallons sont directement impliqués dans ce projet, et y apportent chacun leur expertise : l’interface Entreprises-ULiège, Skywin et Sowalfin.