Transcript Ondes Gravitationnelles Prospective Frédérique MARION Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA

Ondes Gravitationnelles
Prospective
Frédérique MARION
Journées de prospective IN2P3 / DAPNIA
12 octobre 2004
Plan


Les enjeux de la détection des ondes gravitationnelles
Les sources
 détecteurs terrestres / détecteurs spatiaux

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L’implication de l’IN2P3
L’avancement de Virgo
 le commissioning
 l’analyse des données
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


Le réseau mondial de détecteurs terrestres
Les upgrades de Virgo
Vers un nouvel interféromètre européen?
LISA
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Les enjeux

Tester la description de la gravitation par la Relativité
Générale
 Mise en évidence expérimentale directe de l’existence des OG
 Vérification de leurs propriétés : vitesse de propagation, polarisation
 Phénomènes extrêmes : champ fort, effets non linéaires, observation
de trous noirs

Un nouvel outil pour l’astrophysique et la cosmologie
 dynamique d’une supernova
 lois régissant les étoiles à neutrons
 formation d’un trou noir
 sources « chandelles standard » visible à distance cosmologique par
des interféromètres de deuxième génération
 Univers à l’ère de Planck? (détecteurs spatiaux)
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Sources : détecteurs terrestres

Sources continues
 Étoiles à neutrons en rotation
»
»
»
»

objets communs
amplitude difficile à prédire (limites sup.)
intégration du signal
souvent en système binaire
Sources impulsives
 Supernovae
» amplitude incertaine
» Phénomène rare : 3 - 4 10-2 / an dans la
Galaxie
 Coalescences de systèmes binaires
d’objets compacts
» NS-NS, NS-BH, BH-BH
» sources détectables hors de la Galaxie
» taux d’événements?
 Sources inconnues
» phénomènes violents, GRB?
Détection non assurée pour les interféromètres de 1ère génération
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Coalescences binaires : taux d’événements

Modèles d’évolution stellaire
 Taux de coalescences NS-NS, NS-BH,
BH-BH
 Prédictions « optimistes »
» NS+NS : 3·10-5 – 3·10-4 / an
dans la Galaxie
» NS+BH et BH+BH : 10 à 100 fois moins
– visibles à plus grande distance
plus d’événements attendus
– BH+BH (30 M) : ~ 2 - 3 / an

Analyse statistique
 Uniquement NS-NS
 Prédictions « pessimistes »
(limites inférieures)
» 1 – 30 ·10-6 / an dans la Galaxie
(ancienne valeur)
 Un nouveau système découvert
Rdet (ini. LIGO) (yr-1)
0.2
0.075
0.06
Rdet (adv. LIGO) (yr-1)
1073
405
325
» révision à la hausse du taux NS-NS
» prédiction encore très incertaine
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Sources : détecteurs spatiaux
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Une autre gamme de
fréquence
 [10-4 - 1] Hz

D’autres sources
 Étoiles binaires compactes
 Coalescences de trous noirs
binaires massifs
 Fond primordial d’OG?


Une détection assurée
Complémentarité avec les
détecteurs terrestres
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L’implication de l’IN2P3 dans Virgo
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LAL
 Tube à vide et pompage
 Global Control & locking
 Analyse des données
» bursts
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LAPP
 Enceintes à vide (« bas de tour »)
 Système de détection
 Acquisition des données
 Commissioning
 Analyse des données
» Coalescences binaires
» Pulsars en système binaire

LMA (IPNL)
 Traitement de miroirs (« coatings »)
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Virgo : CITF

Étape décisive dans
l’avancement de Virgo
 septembre 2001  juillet 2002
 nombreux points communs avec Virgo
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Évolution de la sensibilité avec la
configuration
 E0/E1 : Michelson simple
 E2 : Michelson recyclé
 E3 : + alignement automatique
 E4 : + système d’injection final

Des résultats probants
 Fiabilité des contrôles
 Courbe de sensibilité comprise
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Virgo : commissioning (I)


Démarrage à l’été 2003
Contrôle du bras nord
 octobre 2003

Contrôle du bras ouest
 décembre 2003

Interféromètre recombiné
 mars 2004


Quatre runs techniques
Caractérisation de la sensibilité
courante du détecteur
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Virgo : commissioning (II)

Vers un interféromètre recyclé
 « étape 2 » maîtrisée
 « étape 3 » maîtrisée
 étape finale : travail en cours
 run C5 en mode recyclé en novembre ?

Modification du banc d’injection
 problème de lumière retro-diffusée vers le
mode-cleaner d’entrée
 solution temporaire mise en œuvre
 nouveau design en cours

Vers la sensibilité nominale
 premier run à sensibilité « raisonnable »
en 2005
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Virgo : analyse des données (I)
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Bursts
 forme d’onde mal connue  méthodes d’analyse robustes et variées
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Coalescences binaires
 forme d’onde bien connue  filtrage adapté
 espace des paramètres grand  méthodes de pavage
 méthodes d’analyse efficaces  analyse multi-bandes
 méthodes de veto
 extraction des paramètres de la source
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Virgo : analyse des données (II)

Pulsars
 Effet Doppler dû au mouvement du détecteur
» espace des paramètres gigantesque pour recherche aveugle
» recherche limitée par les moyens de calcul
 Cas particulier des pulsars en système binaire
» méthode spécifique
» accord Virgo-Nautilus pour tester la méthode sur les données de ce
détecteur résonnant italien

Fonds stochastiques
 Nécessite deux détecteurs
 Activité en développement (peu de manpower)
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Virgo : mise en œuvre de l’analyse


Calibration / Reconstruction
Analyse des données des runs techniques
 investigations liées au commissioning
 préparation de la recherche d’événements / procédures de veto

Mock Data Challenges (MDC)
 données simulées (bruits et événements)
» bursts et coalescences binaires
 mise au point et test du pipeline d’analyse
 6 MDC entre mars 2003 et juin 2004

Injections d’événements « software » et « hardware »
 run C4

Moyens de calcul
 analyse online : Cascina
 analyse offline et simulation : centres nationaux (Lyon et Bologne)
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Réseau mondial : avancement de LIGO

Trois interféromètres opérationnels

Commissioning entamé en 1999
 Lente progression vers la sensibilité
nominale

Premières prises de données
scientifiques
S1
S2
S3
 S1, août - septembre 2002
» premières limites supérieures
 S2, mars - avril 2003
 S3, novembre 2003 - janvier 2004
» un facteur 2-3 de la sensibilité
nominale !
 Run de 6 mois en 2005
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Réseau mondial : vers un observatoire


Analyses combinées nécessaires pour extraire toutes les
informations possibles sur la source
Multiples accords bilatéraux établis ou en cours
 LIGO – GEO : GEO  LSC (LIGO Scientific Collaboration)
 LIGO – TAMA : MOU
 Virgo – barres italiennes : MOU ou discussions en cours
 Virgo – GEO : discussions dans le cadre du réseau européen ILIAS
…

Virgo – LIGO
 MOU en cours de négociation
 Accord sur deux projets
» Projet 1 (en cours) : de type MDC
– Réunion d’étape au MIT à la fin de la semaine
» Projet 2 : injections software & hardware dans de vraies données
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Virgo : upgrades


Perspectives de détection limitées pour les
interféromètres de 1ère génération
Nécessité d’une amélioration majeure de la
sensibilité à l’horizon 2008-2009
 Advanced Ligo : installation en 2007-2008
observations en 2009

Advanced
LIGO
Divers R&D en cours dans ou autour de Virgo
 R&D récents en général

Définition d’un plan d’upgrades
 Graduels
 Obtenir au moins un facteur 10 sur toute la bande de
fréquence en 2009

Discussion entamée dans la collaboration
 « working group » nommé, doit aboutir d’ici ~ 6 mois
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Upgrades : bruit sismique

Super-atténuateurs de Virgo
répondent déjà aux critères
d’un interféromètre de
deuxième génération

Adaptations techniques aux
modifications du dernier
étage
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Upgrades : bruit thermique pendulaire

Dernier étage moins dissipatif :
suspension monolithique (silice)
 R&D ancien dans Virgo
 Faisabilité démontrée dans GEO

Problèmes corollaires
 actionneurs électrostatiques
 upgrade du système de contrôle
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Upgrades : bruit thermique du miroir



Déterminant pour un détecteur
avancé
Plusieurs phénomènes en cause
Substrat
 choisir le bon matériau
 optimiser la géométrie
 modifier le profil des faisceaux

Coatings
 R&D en cours
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Upgrades : bruit de photons
Deux types de solutions

Laser de forte puissance
 Faisabilité démontrée par R&D GEO
 R&D nécessaire sur effets thermiques
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Recyclage du signal
 Pas d’effets thermiques
 Complexité du schéma de contrôle
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Au delà de « Advanced Virgo »

Quoi
 Un nouvel interféromètre

Qui
 L’ensemble de la communauté européenne
 Virgo + GEO + …

Quand
 Horizon 2010 - 2015

Comment
 Un deuxième interféromètre dans le tube de Virgo?
 Souterrain ?
 Cryogénique ?
 Dépassement des limites quantiques ?

Avec quels moyens
 Proposition de « design study » en mars 2004, dans le cadre de
l’appel d’offre européen FP6  proposition rejetée  ??
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LISA



Orbite héliocentrique
Trois satellites distants de
5.106 km
Projet piloté conjointement par
l’ESA et la NASA
 Contrat avec Astrium pour les
satellites


Lancement prévu en 2013
Déjà des réflexions pour
étendre la sensibilité de LISA à
plus basse fréquence!
 et une proposition pour un autre
interféromètre spatial complétant la
couverture du spectre entre LISA et
les détecteurs terrestres
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LISA Pathfinder

Mission de démonstration technologique
 Capteurs inertiels (accéléromètres)
 Compensation de traînée
 Système optique


Approuvé en novembre 2003
Lancement prévu en novembre 2007
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LISA France

Lettre d’intention en mai 2004
 Groupes français théoriques et expérimentaux
 IN2P3 : APC, LAPP + LPSC depuis
 Artemis (observatoire Côte d’Azur)
 IAP
 LUTH & SYRTE (observatoire Paris-Meudon)

LISA Pathfinder
 Modulateur acousto-optique (APC)

LISA
 Analyse de données
 Développements théoriques (sources)
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Conclusions

Détecteurs de 1ère génération
 LIGO à un facteur 2 – 3 de sa sensibilité nominale
 Virgo encore en phase de commissioning, progrès rapides
» Premier run scientifique en 2005
» Préparation intensive de l’analyse des données
» Opportunité d’engagement pour de nouveaux groupes
 Perspectives de détection limitées

Détecteurs de 2ème génération





Advanced LIGO en 2009
Plan d’upgrades en cours de définition pour Virgo
Un second interféromètre européen en 2015?
Perspectives de détection à distance cosmologique
Interféromètres spatiaux
 LISA Pathfinder en 2007
 LISA en 2013
 LISA France en développement
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